基于错位格雷码的动态三维形貌测量方法

格雷码辅助相移技术可以实现具有较强鲁棒性与抗噪能力的三维（3D）形貌测量。为解决由待测物体不均匀的表面反射率、噪声和物体运动等因素造成的级次边沿误码问题，提出了一种基于错位格雷码的动态3D形貌测量方法。将传统格雷码图案在投影前预先移动半个条纹周期得到错位格雷码图案，再采用传统格雷码解码方法对二值化后的错位格雷码图案解码，可得到与截断相位完全错开的解码结果。对该解码结果进行修正后即可利用得到的正确的相位级次辅助截断相位成功展开。同时，为了提高测量精度，引入了一个虚拟相位平面以进一步拓展投影条纹周期数。实验结果表明，所提方法在使用N帧格雷码图案的情况下，可以编码周期数为2^N+1的投影条纹进行3D测量，其无需任何附加图案即可避免级次边沿误码问题，并有效提升了测量精度。复杂动态场景的3D重建结果证明，所提方法能够以2381 frame/s的速率实现高精度、高效率和高速的3D形貌测量。     

基于二元光栅特征提取的相位展开方法

传统基于正弦光栅相位测量轮廓术中,相位因反正切运算而被截断在（-π,π]之间,需要利用菱形等相对相位展开算法进行展开,容易产生相位误差累计,甚至无法展开相位;或者利用投影辅助格雷码等额外结构光场来确定条纹级次,避免相位误差累计,实现相位的展开。提出了一种基于二元光栅特征提取的相位展开方法。通过投影一组相移二元光栅来实现三维测量,既避免了投影仪伽玛非线性对三维测量的影响,又将投影系统的刷新频率提高一个数量级,同时利用二元光栅本身的图像特性,在不增加辅助结构光场投影的前提下,自定条纹级次,从而将自定的条纹级次相位与截断相位相加,实现展开相位,有效避免了相位误差的累计。实验验证了所提方法的可行性和有效性,解相结果与未发生累计误差的菱形算法解相结果具有很好的吻合效果。     

相位编码条纹投影轮廓术的相位展开误差校正方法

相位编码法是条纹投影技术中常用的一种相位展开方法。然而,受到随机噪声、图像采样、系统离焦等因素的影响,条纹阶次与包裹相位的对应关系容易被破坏,从而引入相位展开误差。根据相位展开误差的分布特点,提出一种附加二值条纹的相位展开误差校正方法。引入的二值条纹与相位编码条纹的码字存在半周期错位,使得计算出的2组条纹阶次值具有互补性,利用两者的互补性可以有效地消除相位展开误差。仿真和真实实验均表明,该方法能够准确地恢复出被测物体的绝对相位,具有较高的可靠性。     

基于时间复用编码的高速三维形貌测量方法

提出一种基于时间复用编码的高效、强鲁棒性结构光三维测量方法,通过在时间序列上重新设计排布相移与编码图案,充分利用高速记录的相邻图像时序信息的关联性,将重建一个三维结果所需的投影序列图案数量降至3幅,提高了测量的编码和重建效率。同时,利用通用分区间相位展开方法,提前避免级次跳变错误的产生,保证了测量的鲁棒性。分析比较了二值格雷码和多灰度格雷码两类编码方案在该方法下的优势以及适用场景。实验结果表明：所提方法每多获取3幅条纹图案就能重建一个新的三维结果,能实现3174 frame·s-1的高速三维形貌重建;二值格雷码编码方法的鲁棒性和抗噪声能力更强,适用于拍摄速度远高于物体运动速度的复杂高噪声动态场景,而以四灰度格雷码编码方法为代表的多灰度格雷码编码方法的抗运动模糊能力更强,适用于重建运动速度较快但环境噪声较低的动态场景。     

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。     

利用散斑嵌入条纹和查找表进行三维面形测量

为了快速、准确地重建复杂场景的三维面形,提出了一种利用散斑嵌入相移条纹图案和截断相位-高度查找表的三维面形测量方法。将散斑作为辅助信号嵌入到四步相移条纹图案的相位分布中,得到待投影的复合条纹图案。利用相移算法解调出被测物体的截断相位和额外的散斑信息。利用查找表得到截断相位对应的多个候选高度,再利用散斑对条纹周期进行标记以解决高度歧义问题,唯一确定截断相位所对应的正确高度,以实现被测物体三维面形的快速重建。该方法直接从截断相位信息中重建三维面形,无需投影任何附加图案,也无需进行相位展开。理论分析和实验结果表明,该方法可以实现动、静态复杂场景三维形貌的高精度测量且鲁棒性好。     

基于梯形与正弦相移算法的非线性误差校正北大核心CSCD

相移轮廓术是一种广泛使用的光学三维测量方法,其精度不仅受相位展开算法本身的影响,也受测量系统中投影仪和摄像机的非线性影响。理论上,投射更多的相移条纹可减弱非线性误差的影响,但是增加了测量时间。为了提高误差校正的效率,提出了一种基于梯形正弦相移的测量方法。该方法需要两组改进的梯形相移条纹和一幅正弦条纹。梯形条纹提供图像强度信息和条纹级次信息,图像强度信息用来求取系统的非线性响应曲线,进一步消除系统的非线性。正弦条纹经过希尔伯特变换可求得额外的条纹图像,用来计算截断相位信息。经过校正的截断相位信息,可进一步获取精度较高的三维信息。相较于先前的梯形与正弦误差校正方法,该方法的测量效率提高了28%。     

基于N元正弦码元的时间相位展开

提出了一种N元编码时间相位展开方法来实现彩色复杂物体的三维测量。传统的阶梯状条纹在测量整个表面反射率范围较大的物体时，条纹数量过多会导致量化困难。利用从相移条纹中提取的N元正弦码元替换传统的量化灰度码元，通过进制转换将N元正弦码元嵌入到所要投影的条纹中来实现条纹级次的编码。在解码时，先通过编码条纹与N步正弦相移条纹的差异逐点计算N元量化条纹，再根据对应的逆进制转换获取唯一的条纹级次，最后利用截断相位消除条纹级次边缘处的错位误差。实验结果表明，相比传统的时间相位展开方法，所提方法有效提高了编码效率，并在测量彩色复杂场景时表现出了较高的鲁棒性。     

一种基于归一化调制度解调的绝对相位提取方法

传统的绝对相位提取技术通常需要多帧附加编码图案来辅助识别条纹级次,从而导致了投影效率的降低。因此,提出了一种基于归一化调制度解调的绝对相位提取方法。首先利用空分复用技术建立查找表指定与条纹顺序一一对应的唯一码字序列,然后将相移正弦条纹作为载频条纹直接将该码字调制到振幅强度上形成空分复用的组合相移条纹。当该组合相移条纹投影到待测物体上,可从采集的组合变形条纹同时解调出包裹相位和调制强度,再对调制强度做归一化处理,既能有效抑制反射率不均匀影响,也能解调出可定位条纹级次的四灰度码字,实现了无需附加编码图案的绝对相位提取。为了提高多级灰度码字提取的鲁棒性,利用图像形态学处理操作来分割图像的灰度,并提出了一种半周期连通域码字纠正方法。实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。     

三维成像中相位级次自编码的相位测量方法

提出一种相位级次自编码技术的相位测量方法.与传统的相位测量技术不同,该方法利用截断相位的微分值作为编码通道,完成对各条纹级次的编码.构造的代码序列总长度为投影条纹的周期数,每个周期作为一个码元,由相邻若干码元构成一个代码子序列.相位计算后,根据截断相位的微分信息,可以提取出各周期及其码元值,通过在设计的代码序列中进行代...     

3-D shape measurement based on complementary Gray-code light

A combination of phase-shift with Gray-code light projection into a three-dimensional (3-D) measurement system has been exploited to digitalize 3-D shape information of a tested object, even with a discontinuous surface. Unfortunately, the phase unwrapping will fall into an error, when an improper value of Gray coding is caused by mistake at the partial boundary of two adjacent binary words. To this end, a new complementary Gray-code method is proposed in this paper as well as the corresponding phase-unwrapping method. This problem of phase unwrapping could be cleverly solved by projecting an additional Gray-code pattern to extend this code and using the different and complementary boundary locations of the traditional and additional codes. The results of computer simulation and experiment confirm that this proposed method based on complementary Gray-code can reliably reconstruct the nature phase distribution of the tested object with only one extra fringe pattern.     

基于互补型光栅编码的相位展开

为了解决在运用相移技术和二元光栅编码结构光进行相位展丌时存在的误码问题,提出了一种新的互补型二元光栅编码.通过多投一幅格雷码图案,并利用格雷码相邻码字之间Hamming距离为1的特点,没计出互补的两种编解码方式.利用两种编码出现误码位置的不同,并结合相移技术解决了去包裹过程中的误码问题.论述了互补型二元光栅编码的设计方法及特点,并详细分析了基于互补型二元光栅编码的相位展开过程.计算机模拟和三维重建实验清楚地表明,提出的互补型光栅编码能很好地解决了误码问题且具有很高的可靠性.     

利用颜色编码辅助计算绝对相位的傅里叶轮廓术

针对传统去卷积算法时间需求的弊端,提出一种新的使用颜色编码辅助的绝对相位并行计算方法。该算法采用对光栅数目需求最少的傅里叶变换轮廓术（FTP）做为卷积相位求取的方法;颜色编码光栅被用来标识轮廓的序数。直接使用FTP计算出的卷积相位以及从彩色光栅中获得的轮廓序数,即可方便求出当前像素的绝对相位值;同时只用一副图像标识轮廓序数也比其他轮廓序数标识方法简单。本方法由于使用绝对相位计算方法,局部相位误差不会扩展。实验结果也证明了此算法对于多个分离物体以及复杂物体的有效性。     

Evaluation of absolute phase for 3D profile measurement using fringe projection

A new method of absolute phase evaluation for three-dimensional (3D) profile measurement using fringe projection is presented, which combines the gray code and the phase shift technique. Two kinds of fringe patterns are projected onto the object surface respectively, one is sinusoidal intensity distribution used for phase demodulation and the other is gray code fringe pattern for unwrapping. These images are acquired by camera and stored into computer. The absolute phase is obtained by analyzing these images. The validity of this method is verified experimentally. The method is superior to other phase unwrapping methods.     

A novel 3D measuring method for discontinuous object by non-integral twin-frequency grating

A new 3D shape measurement method based on non-integral twin-frequency grating projection is proposed. In this paper, the projected composite grating is composed of two sinusoidal gratings, and the quotient of whose frequencies is not an integer. By using appropriate phase-shifting algorithms, two wrapped phases can be obtained from sixteen frames of the distorted grating patterns. In aid of appropriate phase unwrapping method, the unwrapped phase of high frequency fringe is obtained only from the relation of the two wrapped phases by a pixel-to-pixel phase unwrapping technique. Therefore the unwrapped phase of high frequency fringe pattern is independent of the low frequency fringe pattern, different from traditional integral twin-frequency grating projection methods in which the phase unwrapping error of low frequency fringe pattern may be propagated onto the unwrapped phase of high frequency fringe pattern. The new theory proves that the proposed method is applicable to measure discontinuous object, and has considerable measurement accuracy.     

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。     

光弹性测量中的位相展开

根据调制度排序，提出了一个新的用于模型全场光弹条纹级次测量的位相展开方法，并进行了实验验证。在位相展开区域的边界上，位相展开的路径由像素的强度调制决定。这个方法的优点是很明显的，即使在最坏情况下，其误差也限制在局部最小区域上。     

基于可靠性的相位去包裹算法

提出了一种新的基于可靠性的相位去包裹算法。采用了队列算法及去包裹可靠性的判别标准。与传统方法相比,能够自动避开噪声区域,解决了相位去包裹中的阴影遮挡以及空洞等问题,克服了传统去包裹方法中的误差传播效应,能准确快速地对全场进行相位去包裹。设计了一套基于此算法的三维形面测量系统。     

Self-correction of fringe order jump error induced by system nonlinearity based on phase-coding method

Optical Review - Temporal phase unwrapping based on phase-encoding is a technique widely used in 3D measurement for its high-speed advantage. However, eliminating fringe order jump error induced by...     

An improved stair phase encoding method for absolute phase retrieval

An improved phase unwrapping method is proposed to reduce the projection fringes in three-dimensional (3D) surface measurement. Color fringe patterns are generated by encoding with sinusoidal fringe and stair phase fringe patterns in red and blue channels. These color fringe patterns are projected onto the tested objects and then captured by a color CCD camera. The recorded fringe patterns are separated into their RGB components. Two groups of four-step phase-shifting fringe patterns are obtained. One group of the stripes are four sinusoidal patterns, which are used to determine the wrapped phase. The other group of stripes are four sinusoidal patterns with the codeword embedded into stair phase, whose stair changes are perfectly aligned with the 2π discontinuities of sinusoidal fringe phase, which are used to determine the fringe order for the phase unwrapping. The experimental results are analyzed and compared with those of the method in Zheng and Da (2012. Opt Express 20(22):24139–24150). The results show that the proposed method needs only four fringe patterns while having less error. It can effectively reduce the number of projection fringes and improve the measuring speed.