基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法

在现有的针对复杂物体表面形貌的三维测量方法中, 为了完成绝对相位的测量, 通常需要处理至少6幅条纹图像, 限制了测量速度。提出了采用2幅正弦条纹和2幅三角波条纹图来获得物体三维形貌的方法。利用两步相移正弦条纹和两步相移三角条纹得到截断相位, 再利用两步相移三角波条纹得到条纹级次, 减少了投影条纹幅数, 提高测量速度。在得到条纹级次时, 计算三角波条纹强度调制和强度对比度, 与计算相位相比, 可以减少数据处理的时间, 进一步提高测量速度, 同时能减小物体表面反射率的影响, 提高了测量精度。测量最大高度为39 mm的阶梯状标准块, 得到的最大绝对误差和最大的RMS误差分别为0.045 mm和0.041 mm。验证了该方法的有效性和实用性, 在高速实时的复杂形貌三维测量中有广泛的应用前景。     

一种无需滤波的复合光栅投影的在线三维测量方法

针对流水线上在线运动的刚性物体,投影复合光栅可以解决像素匹配和相位展开对条纹频率不同需求的矛盾,但在相位计算时,需对复合光栅进行滤波,该过程会降低重构精度。基于Stoilov算法,提出一种无需滤波的复合光栅投影的在线三维测量方法,设计复合条纹使低频条纹相移方向与被测物体的运动方向平行,像素匹配后被测物体的运动被转化为低频条纹的相移;高频条纹相移方向与被测物体运动方向垂直,像素匹配后各帧变形条纹图中高频条纹的光强分布完全一致,可直接进行相位计算,避开了因滤波造成的精度损失。同时在复合光栅中高频条纹的强度远低于低频条纹,故可将其看作微弱的背景光,保证了在线三维测量的精度。通过仿真与实验验证了该方法的有效性。     

基于彩色编码光栅投影的双N步相移轮廓术

双N步相移轮廓术虽然可以大大降低由于光栅条纹的非正弦性所导致的相位误差,但增加了一倍的投影条纹数量,降低了测量效率。针对此问题,本文提出一种基于彩色编码光栅投影的双N步相移轮廓术,它将原相移条纹和附加相移条纹编码成双色条纹,融合到一幅彩色光栅条纹中投影,然后从采集的彩色条纹中提取两套条纹的相位信息,分别解包裹相位后,融合两包裹相位以减小相位误差。为验证所提方法的有效性,将该方法与两种典型的相位展开算法结合进行实验。实验结果证明,所提方法能有效降低相位误差,且不需要增加任何额外的光栅条纹,测量效率提高了46%。     

基于相位预测的在线三维测量像素匹配方法

物体的运动使变形条纹图中物体像素点不对应,因此需要对物体做像素匹配。提出了一种基于相位预测的在线三维测量像素匹配方法。仅投一帧正弦光栅条纹到在线运动的物体上,CCD同步采集相同步距时刻受物体调制的变形条纹图。采用傅里叶变换轮廓术(FTP)方法对采集的变形条纹预测物体不同位置的相位信息,并以该相位信息的特征做像素匹配,实现了物体在各帧条纹图中的像素一一对应,同时匹配后的变形条纹产生等效的等步相移,进而采用等步长相移算法来重构在线运动物体的三维面形。计算机模拟与实验验证了该方法的有效性和可行性。同时,与在线FTP方法进行比较,在线FTP方法和本文方法的均方根误差分别为1.013mm和0.024mm,表明该方法对在线三维测量具有较高的测量精度。     

基于二进制编码条纹的三维测量方法

提出一种二进制编码条纹代替正弦条纹的方法,以降低三维测量系统的非线性误差。首先,通过对传统正弦条纹一个周期内呈正弦变化的光强值进行二进制编码,将所有二进制编码的每一位分别组合生成二值条纹,投影到被测物体表面。然后,将采集到的多幅二值条纹进行叠加,生成正弦条纹。最后,结合四步相移技术,并使用互补格雷码辅助相位展开进行实验验证。实验结果表明,所提方法相比于传统四步相移方法可以有效降低非线性伽马效应导致的相位误差,提高测量精度。对直径为50.8140 mm的高精度标准球进行测量,所得的局部点云与拟合标准球的平均距离为0.0697 mm。     

基于双频彩色条纹投影的相位测量去包裹方法

为了提高测量速度,提出一种基于双频彩色条纹投影的相位测量去包裹方法,只需采集一帧图像,就能实现高速测量以及动态物体轮廓测量中的相位去包裹。论述了双频相位测量和变精度去包裹原理,并详细分析影响测量精度的因素。该方法采用计算机生成一帧双频双色正弦条纹图,用液晶数字投影仪投影,并用傅里叶变换的方法对两个单色条纹图进行分析,获得高低两种精度的被测物体高度信息,从而进行变精度去包裹处理。结果表明,利用该方法提高了测量速度,可得到较高的去包裹精度,其测量最大绝对误差为 1．413～-1．582 mm,标准差为0．363 mm。     

一种从粗到精逐步细化的变尺度光栅投影测量方法

传统的光栅投影法依靠相移法进行测量,对绝对相位的计算需要应用解包裹算法完成。由于解包裹算法要求空间相位具有连续性,因此不适合高度变化显著的物体的测量。针对该问题,提出一种多尺度条纹投影测量的方法,直接获取高密度条纹投影的绝对相位。通过对高密度64周期条纹扫描投影测量相位的二次拟合曲线的实验处理,在绝对相位 [-201,201]的变化范围内,拟合标准差达到0.096 63 rad的精度。     

基于利萨茹椭圆拟合的两步相移轮廓技术

相移轮廓术(phase shifting profilometry, PSP)至少需要三帧条纹图提取物体的相位信息.在动态测量中,减少条纹数有助于快速测量,并且可以抑制运动物体存在的相移误差.为了克服上述问题,本文提出基于利萨茹椭圆拟合(Lissajous ellipse fitting, LEF)的两步相移轮廓术,针对条纹背景和调制度分布不均匀导致的LEF相位误差,给出了误差抑制方法.实验实现了基于LEF的两步相移动态场景测量,与多帧PSP相比,本文所述方法可以减少条纹帧数并且可抑制物体的运动导致的相移误差.     

基于多频外差原理的相位解包裹方法

根据多频外差原理推导了三频光栅条纹解包裹的过程,获取了光栅条纹的绝对相位值。同时,为了减小误差,提高测量精度,提出了一种相位修正的方法,比较了相位修正前后的相位图,表明该方法能够非常有效地去除相位误差。通过将修正后的绝对相位值作为匹配的一个特征量,利用机器视觉中双目立体视觉的方法求取物体的三维特征。实验证实了该方法的可行性,并得到良好的测量结果。     

基于二进制条纹加相位编码条纹离焦投影的三维测量方法

复杂表面的精密三维测量在工业无损检测中非常重要。二进制条纹离焦投影方法在快速三维测量中有重要的应用前景,但该方法难以实现复杂表面高精度三维测量。为此,提出了基于二进制条纹加相位编码条纹离焦投影的三维测量方法。由于离焦投影滤除了高次谐波和高频噪声,可以克服投影仪的非线性伽马效应,与传统投影正弦条纹方法相比,提高了其测量精度。针对离焦投影时,随着相位编码条纹频率增大,条纹级次判决困难,出现周期错位,导致相位解包裹出错,提出了相移编码方法来解决以上问题。采用相移编码方法校正周期错位,使条纹级次判决准确,进一步提高其测量精度。实验结果表明,其测量精度可以达到0.044 mm,验证了本方法的有效性和实用性。     

一种基于结构光条纹投影的微小物体测量系统

为了通过结构光投影的方法测量微小物体,构建了一套微小物体三维形貌测量系统,视场范围可达1.8 cm×1.6 cm。这套测量系统利用了Light Crafter 4500数字投影组件的高速投影、立体显微镜的低畸变缩放、远心镜头的大景深与低畸变成像的特性。先利用立体显微镜对Light Crafter 4500投影的相移条纹图进行低畸变缩小,再投影到待测物体表面,采用配有远心镜头的相机同步记录受到物体表面形貌调制而发生形变的条纹,利用三步相移法计算出条纹对应的截断相位图,再根据可靠路径跟踪相位展开算法求取连续的相位分布,重建被测物体的三维表面形貌。实验成功重建了以BGA芯片为代表的微小物体表面三维形貌。实验结果表明,系统测量精度达到11 μm,系统的有效深度测量范围为700 μm。     

基于自适应条纹投影的高反光物体三维面形测量

结构光投影方法在三维形貌测量中应用广泛,但是由于被测物体表面反射率变化范围较大,过度曝光会导致相位信息无法获取。而传统的高动态范围扫描技术步骤复杂,耗时较长。文中提出一种自适应条纹投影技术,向待测物体表面投射较高灰度级的条纹图,判断并标记过度曝光点。降低投射强度后通过非线性最小二乘法拟合来确定每个饱和像素点最适合的最大输入灰度,用重新生成的自适应条纹图来采集图像并进行相位计算和三维形貌恢复。通过实验验证,该方法可以对物体表面的高反光区域进行有效测量,避免过度饱和,仿真误差在0.02 mm范围内,实测误差约为0.14 mm,实际实验对过曝点的补偿率可达到99%。     

利用强度调制消除零频的傅里叶变换轮廓测量

采用双色正弦条纹投影的傅里叶变换轮廓术中零频分量的扩展对有用基频分量有影响,为此提出一种新型的基于强度调制的零频消除方法提高测量准确度和范围.通过采集一帧变形彩色条纹图并分离颜色通道获得两幅相位差为π的条纹图,对变形条纹做强度调制校正,进而消除零频分量,实现高度解析.理论模拟和实验测试均验证了此方法的有效性.相比传统的相移消除零频分量的方法,此方法具有显著的速度优势,适合于三维物体的实时测量.     

多频光栅物体高精度廓形三维测量及重建研究

针对目前实际系统中,由于噪声的存在,单频光栅逐点解相时无法获得全场相位值,导致对廓形复杂、体积小物体的重建精度低,提出多频结构光栅投影实现体积较小、形貌复杂物体的高精度重建。系统算法基于随时间序列变化改进的四步相移法对多频光栅进行解相,多频光栅解相是对每种频率的光栅单独展开相位,每种频率的光栅解相是逐点进行的,单频光栅中因噪声得到不连续的相位可通过其他频率光栅拟合修补,得到一个全场范围内连续的相位。经实验单频结构光测量体积小、形貌复杂物体的误差范围为0.1 mm～0.5 mm,而文中所提出方法精度达到了0.03 mm～0.05 mm,该方法精度提高了10倍左右。     

一种用于在线三维测量的五步非等步相移算法

提出了一种五步非等步相移算法,并成功应用于在线三维测量中。仅投影一固定正弦光栅条纹到物体上,通过物体在线运动产生等效相移,在一个条纹周期范围内任意采集五帧变形条纹图,通过像素匹配使各帧条纹图中的物点一一对应并计算出相应的等效相移量。采用所提出的五步非等步相移算法,即可重构物体。计算机模拟与实验验证了该方法的可行性和有效...     

基于双2+1相移法的高动态范围三维测量

针对基于2+1相移法的高反光表面三维测量,分析了强度饱和条纹图案的傅里叶频谱,引入了强度饱和条纹的三阶傅里叶级数表达形式,建立了强度饱和所致的包裹相位误差模型,提出了双2+1相移法。从精度和效率两方面进行了对比实验：对比传统的2+1相移法和自适应条纹投影的2+1相移法,双2+1相移法的相位误差分别降低了69.9%和65.2%;对比多曝光2+1相移法和自适应条纹投影的2+1相移法,双2+1相移法的测量效率分别提高了91.9%和63.9%。     

任意相移阴影叠栅相位解调技术的研究

结合时域和频域干涉图分析方法,提出一种任意相移阴影叠栅条纹图相位解调技术,降低了干涉图在采样过程中对相移量的严格标定要求,补偿了相移阴影叠栅技术固有的相移不匀误差。使用空域技术确定采样干涉图的正交信号,进而得到了采样干涉图的相移量,然后运用任意相移相位提取算法搜索测量相位信息。实验证明此方法简单方便、求解迅速,且优于典型的相移算法,其测量误差的标准差不超过3×10-3 mm,该方法为提高相移阴影叠栅技术的测量精度提供了有效手段。     

采用多投影器的反向条纹投影技术

提出运用多投影器同时投影的反向条纹投影技术。通过测量标准样品的绝对相位,为不同角度放置的投影器产生不同的反向条纹。检测时,投影器同时投影各自的反向条纹,若物体和样品一致,在摄像机上就得到一幅消除了阴影和截断的标准正弦条纹图,若物体有变形,仅用裸眼就能判断,用简单的傅里叶变换和相位展开就能定量地描述变形。对于复杂的不连续物体也只需获取一幅条纹图就能完成检测,在很大程度上解决了阴影及相位展开的问题,实现了该类物体的在线快速检测。阐述了该技术的原理,以双投影器的反向条纹投影为例,实验验证了提出方法的有效性,并进行了相应的误差分析和应用条件讨论。     

基于SURF算法的在线三维测量方法

提出了一种采用加速鲁棒特征算法匹配运动物体的特征点,实现在线三维测量的方法.该方法只需投影一固定的正弦光栅到在线运动中的被测物体表面上,使投影光栅线垂直运动方向,当物体每移动相同的距离,由CCD采集到相应的变形条纹图,从中提出对应的背景光场,借助SURF算法对各帧背景光场的物体进行特征匹配,即可获得一组具有等步相移量的等效相移条纹图,从而采用等步相移算法可重构出在线运动物体的三维面形.实验验证了该方法的有效性和可行性,并与在线FTP方法进行了比较,所提方法的平均绝对误差小于在线FTP方法的二分之一,均方根误差小于在线FTP方法的四分之一.     

投影条纹相移法中图像饱和误差抑制算法研究

针对投影条纹相移法三维形貌测量中的图像饱和误差进行了深入研究,分析了基于条纹相移技术的图像饱和误差抑制算法的适用范围,推导了基于六步相移的饱和误差抑制算法公式.理论分析表明,相移条纹图的帧数越多,饱和误差抑制算法的适用范围越广.并通过数值模拟和实验进行了验证,基于六步相移的饱和误差抑制算法可以更加有效地抑制图像饱和引起的相位误差.