条纹投影轮廓术期望被测表面反射率足够均匀以保证形貌测量精度，而数字图像相关技术则期望被测表面能够提供高对比度的纹理信息来确保图像匹配准确性和形变计算精度，二者对表面的纹理需求存在矛盾。针对这一矛盾，提出基于RGB模型的标记点纹理消隐与提取方法，通过计算特定的消隐系数与提取系数，同时提取高质量的条纹图案和纹理图案分别用于后续形貌和形变测量。实验结果表明，相较于已有方法，所提方法可以解决条纹投影轮廓术和数字图像相关技术对纹理要求的矛盾性问题，同时实现高精度的三维形貌和形变测量。
测量 条纹投影轮廓术 三维形貌测量 数字图像相关 三维形变测量 光学学报
2023, 43(11): 1112001
1 浙江师范大学信息光学研究所，浙江 金华 321004
2 浙江省光信息检测与显示技术重点实验室，浙江 金华 321004
为改进条纹投影动态三维测量系统性能，根据动态物体三维形貌测量的特点提出了两步法测量方案：1) 通过测量运动前物体或CAD模型，获得物体初始三维形貌及二维图像中特征点对应的三维坐标；2) 进行物体运动变化过程的三维测量。通过检测动态图像中的特征点，根据二维、三维坐标对应关系计算物体不同时刻的运动参数，再由初始形貌估计出物体的近似形貌，以此来计算该时刻条纹图的近似相位。然后结合该近似相位及实际条纹的截断相位计算得到展开相位，最后获得该时刻物体的三维形貌。与时间相位展开法相比，该方案在相同测量精度下提高了测量速度；而与空间相位展开法相比，该方案在相同测量速度下提高了测量可靠度，并且不受条纹不连续影响。采用DLP投影仪和高速摄像机搭建了静态、动态双模式三维测量系统，实现了1280×1024点及70 f/s的三维形貌测量。实验结果表明该方案不但可以对刚体运动物体进行测量，而且对非刚体运动物体，只要其形变引起的条纹变化不超过半个周期也能够测量。同时，提出的方法对相邻时刻物体位姿变化有较大的容限。
1 浙江师范大学信息光学研究所，浙江 金华 321004
2 浙江省光信息检测与显示技术重点实验室，浙江 金华 321004
在采用LED的光源步进法三维测量系统中，由于LED发散角大，在短距离内就达到较大的条纹投影面积，造成系统工作距离短。另外大功率LED发光面尺寸大导致条纹对比度低，投影高亮度、高对比度的条纹困难。为解决上述问题，提出在光源步进法投影装置中采用激光二极管(LD)作为光源，实现高亮度、高对比度相移条纹投影。采用该投影装置与双目摄像机设计了便携、高速的三维测量系统。首先利用改进的傅里叶变换轮廓术获取变形条纹相位及调制强度；接着利用激光散斑的随机性，在调制强度图中实现双目图像的粗匹配；然后在粗匹配的基础上进行条纹相位展开，利用相位实现精匹配；最后获得待测物体三维形貌。利用设计的系统进行了实验验证。系统的测量体积为360 mm×290 mm×100 mm，采集的三维数据最多为1280×1024点。实现了100 f/s的三维形貌测量速度，对平面的测量标准偏差为0.19 mm，对5个间隔距离为1.00 mm的平面进行了测量，测量距离的平均误差为0.05 mm。
光学三维形貌测量 条纹投影 傅里叶变换轮廓术 双目匹配 optical three-dimensional shape measurement fringe projection Fourier transform profilometry binocular stereo vision
1 江苏大学物理与电子工程学院, 江苏 镇江 212013
2 深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518061
为满足临床检验等领域对快速获取形态信息的需求,提出了一种仅需2幅相位图的三维形态快速重建算法。该算法从2幅正交相位图中分别获取样品在相应入射光正投影面上的结构边界,通过建立、解算这2组正交的二维数据间的关联得到样品亚结构轮廓的三维坐标和平均折射率,进而给出各亚结构物理厚度的定量分布,实现样品三维结构重建。通过仿真和实验对具有不同结构特征的样品进行了三维形貌重建,实验结果验证了所提算法的有效性和普适性。
测量 相位测量 亚结构轮廓 平均折射率 三维形貌 光学学报
2021, 41(23): 2312006
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610065
2 四川大学空天科学与工程学院, 四川 成都 610065
双目结构光三维形貌测量技术在测量高反光物体的过程中,左右图像中对应物体表面的不同位置处出现过度曝光的现象,致使对应区域的相位数据无效。首先将投影系统作为反向相机并与双目系统共同组成多视系统,然后对物体表面的每一点进行多视系统匹配,接着通过调制度来判断每一像素对应相位的有效性,舍弃过曝光图像区域的像素以获得双视共线方程,最后由整体多视方程同时实现三维点云重建。该方法能够有效解决坐标系转换、多系统重建结果的数据冗余和融合误差等问题。实验结果表明,所提方法在500 mm×700 mm大小的视场范围内能够很好地对高反光物体进行完整的三维形貌测量。
测量 三维形貌测量 条纹投影 高反光表面 多视方程 光学学报
2021, 41(22): 2212002
二值条纹离焦投影技术很好地克服了条纹投影三维测量技术中的非线性影响，有效抑制了投影设备Gamma效应带来的误差。多频条纹二值离焦投影结合时间相位展开算法，是常用的复杂物体三维测量方法。该方法在使用中要保证多个频率二值条纹离焦获得大致相当的正弦性品质，投影时不同频率条纹对应的离焦量不一样，不利于其广泛使用。分析了不同二值化方法条纹的离焦量与正弦性品质之间的关系，提出了采用不同二值化方法生成待投影的不同频率条纹，在同一固定离焦量下进行三维面形测量的方法。提出的组合二值条纹方法与单一二值条纹方法的仿真和实验测量结果表明，该方法能保证测量精度，且实际使用时不同频率条纹的离焦量固定不变，方便易行。
三维测量 二值条纹 离焦投影 三频相位展开 three-dimensional shape measurement binary fringe defocused projection three-frequency temporal phase unwrapping
1 湖南文理学院 国际学院，湖南 常德 415000
2 湖南省洞庭湖生态经济区协同创新中心，湖南 常德 415000
3 湖南文理学院 数理学院，湖南 常德 415000
4 成都信息工程大学 光电工程学院，四川 成都 610225
5 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 6100054
在测量系统中，CCD的非线性效应会影响复杂光学三维面形的测量精度，针对这一问题，提出采用双频光栅投影消除CCD的非线性效应以提高测量精度。首先，分析了CCD非线性效应对三维面形测量的影响，给出了该情况下出现频谱混叠的解析推导和物理解释。然后，讨论了CCD非线性效应下的双频光栅测量原理，分析了此时变形条纹的光强分布及其经傅立叶变换后得到混叠频谱的原理。最后，给出了由等效波长来衡量测量精度的方法，推出了使用双频光栅投影测量三维面形高度信息的基本公式，并进行了理论分析。对最大绝对值与平均绝对值分别为24.3181 mm和1.0839 mm的物体进行仿真分析，测量值与实际值之间的最大绝对高度误差与平均绝对高度误差分别为0.8950 mm和0.0622 mm，提高双频光栅基频后，其对应值分别减小为0.3710 mm和0.0232 mm；在实验结果显示，当双频光栅的基频都增加2.5倍后，频谱中的基频与高级频谱间分离较好，测量精度提高。因此，采用双频光栅投影消除CCD非线性效应具有较强的实用性和很好的发展前景。
三维面形测量 双频光栅 CCD非线性效应 频谱混叠 测量精度 three-dimensional shape measurement dual frequency grating CCD nonlinearity effect spectrum aliasing measurement accuracy
1 安徽农业大学工学院, 安徽 合肥 230036
2 安徽省智能农业装备工程实验室, 安徽 合肥 230036
双频条纹投影是一种重要的三维测量方法。在实际测量过程中,如何兼顾测量速度和测量精度具有重要意义。介绍了一种混合双频算法,该算法共需要投射4幅条纹图像,包括3幅高频条纹图像和1幅低频条纹图像。采用三步相移计算高频条纹的背景强度和高频条纹截断相位;将低频条纹减去背景强度,并采用希尔伯特变换提取低频截断相位;采用几何约束方法展开低频截断相位,并将低频展开相位用于展开高频截断相位。为了验证所提方法的有效性,分别开展了仿真和实验研究。实验结果验证了所提方法可以有效地恢复出被测物体的三维形状。
测量 相位展开 三维测量 相移 希尔伯特变换 激光与光电子学进展
2021, 58(12): 1212001
长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
针对传统柔性三维形貌检测系统柔性差和需预先粘贴合作目标点的问题，提出一种基于光学坐标三维测量系统的多特征复杂零件三维形貌柔性检测系统，并介绍该检测系统的总体方案，建立相对应的数学模型，实现复杂零件三维形貌柔性测量技术的研究。对系统的测量不确定度及重复测量精度进行了实验检定，实验结果表明，该柔性检测系统具有较高的可靠性和精度。同时，对带曲率、异形孔的零件外形尺寸进行免粘贴合作目标的外形测量，实验结果说明了检测系统的可行性。
测量 多特征复杂零件 三维形貌检测 基于正态分布变换的迭代最近点算法 柔性测量 MaxShot-3D 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0512001
