1 河北工业大学 机械工程学院，天津 300130
2 赫德斯菲尔德大学 精密技术中心，赫德斯菲尔德 HD13 DH
结构光三维形貌测量方法越来越多地应用于逆向工程、航空航天、生物医学、文物保护等领域。相位展开作为结构光三维测量中的一个关键环节对测量精度、速度和可靠性起着决定性作用。文中综述了相位展开技术的基本原理、国内外研究现状、各类方法的优缺点和未来发展方向。首先根据相位展开计算方法不同，将现有的用于结构光三维形貌测量技术的相位展开技术分为以下四类进行详细的介绍：时间相位展开技术、空间相位展开技术、基于深度学习的相位展开技术和其他相位展开技术；然后详细比较了各种技术的优缺点；最后总结了相位展开技术的特点并展望了该技术的未来研究方向。基于文中综述的内容，研究者们可用于了解各类相位展开技术的原理与进展，进而根据不同方法的特点对比结合应用需求和测量条件选择最有效的相位展开技术，实现三维形貌的精确测量。
相位展开 三维形貌测量 条纹投影 绝对相位 phase unwrapping 3D shape measurement fringe projection absolute phase 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230126
1 河北工业大学 电气工程学院，天津 300401
2 河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300401
3 天津津航技术物理研究所，天津 300300
4 河北工业大学 机械工程学院，天津 300130
条纹投影轮廓术以其高速、高精度的优点在机械零件自动在线检测、汽车制造、文化遗产保护等领域得到了广泛的应用。然而，传统的条纹投影采用单一曝光时间或单一投影强度来测量高动态范围的物体，在反射率较大的区域会发生过度曝光，超过相机传感器的最大亮度范围，导致无法获得真实的强度和准确的三维数据。为解决此问题，利用彩色相机对单色条纹投影的不同颜色通道响应，提出了一种基于单色条纹投影的高动态范围物体表面三维测量方法。该方法投影蓝色条纹图到被测物体表面，彩色相机从另一个视角采集彩色条纹图像。从采集的彩色条纹图像中分离蓝绿通道对应的两个条纹图像。从蓝绿通道条纹图像中选择不饱和且调制度最大的一组像素生成蓝绿通道的掩膜图像，利用蓝绿通道的掩膜图像和蓝绿通道条纹图像合成高动态图像。然后应用相位解算方法和系统标定，实现高动态范围物体表面形貌的三维测量。实验验证了该方法的有效性。所提方法一方面减少了投影图像的数量，避免了复杂的计算问题，提高了测量效率；另一方面，不需要额外的硬件设施。
三维形貌测量 条纹投影 高动态范围物体 彩色相机 3D shape measurement fringe projection high dynamic range object color camera 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230327
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Applied Optics, University of Stuttgart, Pfaffenwaldring 9, Stuttgart 70569, Germany
2 Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik, Helmholtzstrasse 12, Ulm 89081, Germany
Interferometric detection enables the acquisition of the amplitude and phase of the optical field. By making use of the synthetic wavelength as a computational construct arising from digital processing of two off-axis digital holograms, it is possible to identify the shape of an object obscured by fog and further increase the imaging range due to the increased sensitivity in coherent detection. Experiments have been conducted inside a 27 m long fog tube filled with ultrasonically generated fog. We show the improved capabilities of synthetic phase imaging through fog and compare this technique with conventional active laser illumination imaging.
Digital holography Phase imaging Imaging through scattering media Two-wavelength holography 3D shape measurement Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023024
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。
三维形貌测量 条纹投影 相位展开 双频外差 空间相位展开 3D shape measurement fringe projection phase unwrapping dual-frequency heterodyne Spatial-temporal phase unwrapping
为了解决基于相位编码的三维形貌测量方法在对高频条纹截断相位进行相位展开时易出现误码的问题，提出了一种分段阶梯相位编码方法。用一级阶梯码字对另一级分段阶梯码字的分段数进行编码，投影两组相位编码条纹分别获取两级码字后，再投影额外的两帧错位格雷码，分别获取与这两级码字错位半个阶梯的码字。利用错位码字与原码字易出现误码位置的不同，选用不同的码字进行互补解码，从而获得更加可靠的条纹级次重建三维结果。实验结果表明，所提方法的码字重建结果不易出错。在使用相同数量辅助图案情况下，所提方法能比互补格雷码编码方法标记更多的投影条纹周期，可以辅助更高频率正弦条纹实现对复杂物体形貌的准确三维面形测量。
三维形貌测量 条纹投影 相位编码 格雷码 相位展开 激光与光电子学进展
2022, 59(14): 1415012
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 南京理工大学 江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，江苏 南京 210094
3 南京理工大学 智能计算成像实验室（SCILab），江苏 南京 210094
基于条纹投影的三维形貌测量广泛应用于工业制造、质量检测、生物医疗、航空航天等领域。然而在高速测量的场景下，由于光栅图像的采集过程曝光时间短，三维重建结果通常会受到较为严重的图像噪声干扰。近年来，深度学习技术在计算机视觉等领域得到了广泛应用，并且取得了巨大的成功。受此启发，提出了一种基于学习的光栅图像噪声抑制方法。首先构建了一个基于U-net的卷积神经网络。其次在训练过程中，构建的神经网络学习从含有噪声的条纹图像到对应高质量包裹相位之间的映射关系。当经过适当训练，该网络可从含有噪声的条纹图像中准确恢复相位信息。实验结果表明：针对离线的快速运动场景三维测量，该方法仅利用一幅光栅图像可恢复高精度的相位信息，且相位精度优于传统的三步相移方法。该方法可为提升运动高速场景三维测量的精度提供切实可靠的解决方案。
高速三维测量 噪声条纹图像 深度学习 相位恢复 high-speed 3D shape measurement noisy fringe images deep learning phase recovery 红外与激光工程
2022, 51(2): 20220006
光学加工过程中, 粗磨与精磨阶段材料去除量最大, 而抛光阶段的材料去除量则小很多, 因此若对粗精磨表面进行精确全场测量将极大缩短加工过程。在现有测量手段中, 三坐标机和红外干涉仪存在价格昂贵或效率不高问题。将光学三维传感方法中的双目结构光技术用于光学加工过程, 实现了对光学元件粗精磨表面的无接触、全场、快速高精度测量。实验结果表明所提方法切实可行, 测量误差小于10 μm, 对加工过程中切削加工量的快速精确测量具有应用价值。
三维测量 双目视觉 光学加工 精磨 三频相位展开 3D shape measurement binocular vision optical manufacture precision grinding three frequency phase unwrapping
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610064
2 浙江师范大学信息光学研究所, 浙江 金华 321004
针对动态孤立场景三维形貌测量难题,提出了时域傅里叶条纹分析方法,充分利用被测动态场景对多周期相移投影条纹在时间域上的调制,对携带被测面形变化信息的系列变形条纹沿时间轴作傅里叶条纹分析,提取相位进行对应的三维重建,有效保留了复杂场景的空间高频信息。为了保证相位信息准确可靠,设计了三频条纹复合的圆盘光栅,经电机带动进行旋转投影,在被测场景表面产生多周期相移条纹。该方法不在空域进行滤波操作,三频条纹解算出对应相位信息后进行时间相位展开,适用于孤立物体的测量。拍摄记录的每一帧条纹图像均能对应重建一个三维结果,适用于动态场景测量。搭建系统完成了验证实验,结果证实了本研究提出方法和系统的可行性。
测量 动态三维面形测量 傅里叶条纹分析 三频复合光栅 条纹投影 光学学报
2021, 41(23): 2312005
双目结构光三维测量系统在使用之前，需要利用立体靶标或者平面靶标进行系统标定。为了获得良好的精度，通常选择定制高精度靶标，然而定制的标准靶标价格较高，且一旦定制完成，既定的特征参数使得可对应标定的双目系统也相对固定，此类靶标的使用灵活性受到限制。当三维测量系统测量视场较小时，为了降低标定的成本，同时希望标定靶的特征图案灵活可变，可适应多个测量系统的标定使用，利用智能手机屏显靶标对搭建的小视场双目三维测量系统进行标定，完成基于条纹投影的三维面形重建和测量。同时使用定制平面靶标对同一套测量系统进行标定，两个靶标的标定结果对比分析，验证了智能手机屏显靶标作为小视场双目三维测量系统标定靶的可行性。
三维测量 系统标定 双目视觉 屏显靶标 平面靶标 3D shape measurement system calibration binocular vision screen display target planar target
Author Affiliations
Abstract
Department of Opto-Electronics, Sichuan University, Chengdu 610065, China
A new phase unwrapping method based on dual-frequency fringe is proposed to improve both high accuracy and large measurement range of three-dimensional shape measurement by synthesizing the projected dual-frequency fringes obtaining higher and lower frequencies. The lower-frequency one is their phase difference, which can help unwrap the wrapped phase of the higher-frequency one from their phase sum. In addition, the relationship between the measuring accuracy and the frequencies of the projected fringes is studied to guide the frequency selection in actual measurement. It is found that the closer the two frequencies are, the higher the measurement accuracy will be. The computer simulation and experiment results show the viability of this method.
fringe projection 3D shape measurement dual frequency phase shifting phase sum Chinese Optics Letters
2021, 19(10): 102601
