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。     

利用双频外差和时空相位展开实现三维测量

为了使用高频条纹实现对物体三维形貌高精度快速测量,提出了一种利用双频外差和时空相位展开实现三维测量的方法。该方法仅投影两套高频条纹图片,利用双频外差方法计算出一个频率较低的截断相位分布,经空间相位展开得到其对应的连续相位,用于指导高频条纹截断相位展开,获得三维重建需要的绝对相位分布。该方法对双频外差后的低频截断相位上进行空间相位展开,降低了空间相位展开难度,增加了双频条纹投影三维测量的适用范围。实验结果表明该方法的STD误差为0.06 mm。该方法利用两套高频正弦条纹、不增加投影第三个频率条纹图的情况下,实现了高精度快速三维形貌测量。     

用于三维测量的快速相位解包裹算法

减少条纹投影轮廓术的条纹图数量一直是本领域的研究热点。传统的时间相位解包裹算法,一般需要额外的条纹信息来确定条纹级次,导致条纹图数量过多。提出一种用于三维测量的快速相位解包裹算法,只需要N步标准相移正弦条纹图,就可以完成绝对相位的计算。首先,利用标准相移算法计算包裹相位和消除背景的掩膜;然后,直接利用包裹相位和掩膜,根据连通域标记算法计算条纹级次,进而求得绝对相位。该方法最少只需3幅条纹图,就可以完成三维测量,数据处理速度快。计算机仿真和实验结果验证了该方法的有效性和鲁棒性。     

利用贝叶斯估计法对双频投影条纹的相位进行修正

为了进一步提高双频投影条纹的相位精度,提出以双频投影条纹的条纹级数为坐标建立级数坐标系的分析方法,使得条纹级数(或相位)及其误差的描述变得非常直观。在条纹级数坐标系内,利用贝叶斯估计的方法对相移法求解的条纹相位进行修正,使条纹相位精度得到进一步提高。仿真实验和真实实验证明了此方法的有效性。其中实际实验在利用本修正法修正后,相位均方误差从0.014rad下降为0.009rad,高度均方误差从0.058mm下降为0.041mm。     

多频外差原理相位解包裹方法的改进

为了消除现有多频外差原理相位解包裹后存在的相位跳跃性误差,对多频外差原理相位解包裹方法进行了改进。利用双频外差原理进行部分条纹解包裹,然后利用相位与条纹节距之间的关系将解包裹后的相位转换为其他条纹的相位,使用转换后的相位对其包裹相位进行校正,得到展开相位。为了使展开相位不存在跳跃性误差,提出了解包裹过程中所需满足的一系列约束条件。模拟和实验结果均表明该方法简单有效,展开后的相位光滑无跳跃性误差,无需再次进行误差校正,相比现有方法时间效率提升30%以上。     

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。     

条纹投影法中抗噪声干扰的相移编码去包裹方法

相位去包裹问题广泛存在于条纹投影形貌测量中。提出了一种相移编码去包裹方法,该方法在求解相位时使用多步相移法,并在额外的一幅编码图像中,将标记条纹级数的编码嵌入到相移量中。解码时,通过分析各像素点处不同相移的光强信息序列,可以求解该点处的编码相移量,从而获得绝对相位。该方法只需要少量图像,且可以逐点去包裹,适用于不连续物体的形貌测量,但是容易受到投影仪和相机的噪声影响。通过增加互补的编码条纹图像,提出了一种改进的相移编码去包裹方法,在实现不连续物体形貌测量的同时,显著增强了噪声鲁棒性。经过仿真分析和实验,验证了所提的相移编码去包裹方法的有效性。     

基于希尔伯特变换的干涉条纹相位解调新算法

提出了一种新的应用希尔伯特变换解调干涉条纹相位的算法,可以从单幅干涉条纹图中解调出全场相位分布.在实际应用中,常借助傅里叶变换实现希尔伯特变换算法,但是会忽略负频率成分,造成相位信息的丢失.对于相位分布非单调变化的干涉条纹,提出了一种判断函数,用来计算相位信息零频率点的分布.利用相位的零频率点分布构造了一个二元模板,使用该模板对本文提出的两次希尔伯特变换法产生的包裹相位图进行修正.对修正后的包裹相位图进行解包裹处理,可以得到连续的全场相位分布.对该方法用计算机模拟进行了验证.     

基于希尔伯特变换的干涉条纹相位解调新算法

提出了一种新的应用希尔伯特变换解调干涉条纹相位的算法,可以从单幅干涉条纹图中解调出全场相位分布.在实际应用中,常借助傅里叶变换实现希尔伯特变换算法,但是会忽略负频率成分,造成相位信息的丢失.对于相位分布非单调变化的干涉条纹,提出了一种判断函数,用来计算相位信息零频率点的分布.利用相位的零频率点分布构造了一个二元模板,使用该模板对本文提出的两次希尔伯特变换法产生的包裹相位图进行修正.对修正后的包裹相位图进行解包裹处理,可以得到连续的全场相位分布.对该方法用计算机模拟进行了验证.     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

A generalized temporal phase unwrapping algorithm for three-dimensional profilometry

A generalized temporal phase unwrapping algorithm is proposed for absolute phase measurement of object surfaces with complex topography. We first make comments on error analysis of various temporal phase unwrapping (TPU) algorithms and point out problems existing in these techniques. We present a generalized TPU algorithm (GTPU), which eliminates some limitations imposed on the fringe sequence for the classical TPU algorithms. So the desired number of fringes can be determined according to practical situation, leading to a flexible method for phase reconstruction. In addition, compared with the classical TPU algorithms, GTPU has better noise immunity and less computational complexity. Theoretical analysis and experiment results are presented to show the validity of the proposed algorithm.     

基于多频外差原理的相位校正及匹配方法研究

利用多频外差原理推导四频光栅条纹相位解包裹过程,同时,为了减小相位解包裹误差,提出一种相位校正的方法,并分析了相位校正对匹配结果的影响;通过将校正后的绝对相位值作为匹配的依据,利用极线对上基于相位的亚像素匹配方法;利用三维重建技术获取物体的三维点云数据。实验结果表明:平面测量的匹配率提高了4.97%,测量精度达到0.189 5 mm。     

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。     

广义条纹图序列编码的相位重建

为解决拓扑复杂物体三维数字化过程中的绝对相位测量及相位重建问题,提出了一种广义变频条纹图序列的相位展开算法。简要综述了现有的各种时间维相位展开算法并指出这些算法存在的问题,在此基础上,详细分析比较提出方法与正指数条纹序列算法的噪声免疫力和时间复杂度,证明该方法有更高的噪声免疫力和更低的时间复杂度。特别是,当相邻编码条纹图的条纹数之比不等于2时,正指数条纹序列算法出现严重噪声,而提出的方法依然能够正常工作。此外,该算法还能够根据实际情况决定需要投影的条纹频率,从而能够使用相对较少的条纹编码图像进行有效的相位展开,进而提高系统的实时性。理论分析和实验结果都证明了提出算法的有效性。     

单周期条纹双四步相移投影仪的标定方法

针对投影仪标定方法中存在畸变及倾斜投影引起条纹周期、条纹级数变化的问题,提出一种单周期条纹双四步相移投影仪的标定方法.设计生成横向和纵向各两组单周期条纹图像,经投影仪投影到带有圆形标识的标定板上,相机同步采集标定板图像,叠加由双四步相移获得的两幅相位主值图,对叠加相位主值图相位展开,利用展开的绝对相位值计算投影仪像素坐标值,最终将投影仪标定转换为成熟的相机标定.实验结果表明:仿真投影仪标定实验准确度的最大重投影误差约为0.4pixel,均方根误差为0.132 96pixel;实际投影仪标定实验准确度的最大反投影误差约为0.46pixel,均方根误差为0.143 12pixel;实验结果与仿真结果的最大反投影误差相差15%,均方根误差相差7.6%.与现有的采用三频相位展开进行投影仪标定的方法相比,投影光栅图像数可减少8幅.该方法改善了现有投影仪标定方法的不足,标定准确度和标定效率均得到提高.     

Phase locked loop profilometry

An innovative technique for obtaining automatic three-dimensional shape information of a diffuse surface is presented. The technique is based on a new approach of phase measuring from a fringe pattern. The target to be studied is first modulated by projecting a linear grating onto its surface. The linear fringes are deformed according to the surface shape. Demodulation is carried out by determining the phase of these deformed fringes using a novel digital phase locked loop demodulation algorithm. The technique has the main advantage that the traditional phase unwrapping process is not required. The phase is determined continuously as the algorithm scans the two-dimensional fringe pattern. Owing to its sequential nature, this phase detection technique can be implemented using a special purpose video processor for phase determination at video rates, making it a very fast algorithm. The algorithm along with experimental results of real surface profiles are presented.     

基于条纹反射的类镜面三维面形测量方法

提出了一种基于条纹反射和相移技术的类镜面三维面形测量的新方法。首先在平板显示器上显示正弦条纹,然后用CCD相机分别记录由待测面和标准面反射的正弦条纹像,通过相移得到各自的相位分布,与标准面相位分布相比较得到待测表面起伏引起的相位变化。推导了相位变化量与待测表面梯度的对应关系,分别对待测面进行水平和垂直两个方向光栅相位测量,通过计算可得到梯度分布并由梯度分布恢复待测表面面形。同时初步分析了影响条纹反射技术测量精度的因素。测量中,光栅由计算机产生,可以实现精确的相移,而且可以方便地调节光栅的周期及方向,通过预设标记点来引导相位展开有效地解决待测面和标准面的条纹对应问题。实测了建筑用釉面瓷砖表面起伏,验证了该方法的可行性。     

Application of the FFT method for the quantitative extraction of information from high-resolution interferometric and photoelastic data

This paper describes the application of a digital Fourier transform to phase encoded intensity distribution. Attention is drawn to a method of extracting quantitative information automatically from the interferometric fringe data. To achieve this, a set of carrier fringes has been added to interferometric fringe data. This has made it possible to form a phase map using a FFT (fast Fourier transform) algorithm. A minimum spanning tree (MST) phase unwrapping strategy has been used to create a contiguous map of the whole fringe field. Finally, the measurement parameter related to the fringe field has been calculated from one single image. Experimental results are given for the burner flames, a compressible flow and photoelastic fringe data. It has been shown that the methods developed have the potential for use as reflection analysis systems suitable for applications to non-stationary objects and complicated fringe fields.     

级数相位去包裹方法

提出了一个简单的相位去包裹方法－－条纹的极数相位去包裹算法,将其用来恢复物体的真实相位。与传统的条纹相位去包裹方法相比较,该方法能够消除光载频、物体边缘、阴影和盲点的影响。理论分析和实验结果证明该方法适用于条纹空间相位测量方法解调的包裹相位。     

一种新的快速解相位方法

提出了一种快速可靠的4步相移编码-解相位算法。通过对中心条纹的光强进行摄动,将编码信息加入到基本相移光栅中,使4幅基本相移图不但包含了相位场主值信息,还包含了解相位所需的编码信息。建立了摄动度函数描述相移图的摄动信息进而得到编码信息,解出完整的相位值。对摄动度函数的误差和噪声进行分析,提出方向滤波方法来消除噪声,极大地减少了编码信息的误判情况。仿真和实验证实了本算法的可行性。与传统相移法相比,解相位的速度和可靠性得到明显的提高。