三维人脸表情捕获在影视、游戏、医学、社交等领域有广泛的应用。为了实现无标记自由运动中的人脸表情三维信息高精度采集, 提出了基于人脸关键点检测与匹配的条纹投影三维人脸测量方法。首先, 采用三频外差法获取待测对象准静态三维信息作为参考模型, 并利用基于深度学习的人脸关键点检测算法从调制度图中得到初始关键点及对应的三维坐标。然后, 在动态测量过程中, 仅投影两幅或三幅具有相移的条纹。利用改进的傅里叶变换轮廓术或相位测量轮廓术获得变形条纹截断相位及调制度。在调制度图中检测人脸关键点并将其与初始关键点匹配得到其与参考模型中关键点坐标对应关系。计算该时刻人脸相对于参考模型的运动参数并进一步利用参考模型计算近似相位图。最终, 利用近似相位图展开截断相位并实现三维形貌的重建, 获得该时刻人脸三维表情。利用DLP投影仪及高速摄像机搭建了三维人脸表情捕获系统, 实现了130万像素, 100 fps三维数据采集。实验结果表明, 该系统能够进行正脸偏转±45°内, 俯仰±30°内, 侧倾±45°内, 大幅度变化的无标记三维表情正确捕获。

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。

在彩色相位测量轮廓术中,光电器件多个光通道之间的颜色串扰、强度响应不均等因素的影响,使得所获取的相移条纹图像失真,因此采用传统的相位技术求解相位会产生极大的相位误差。从彩色条纹图像的数学模型出发,分析了彩色成像器件所获取的红绿蓝三通道条纹图像特性,提出一种两步校正方法:第一步是基于三通道均值及标准差实现对各颜色通道图像强度的归一化处理;第二步是使用概率密度函数曲线搜索失真后的实际相移量,抑制相移量不准确对测量结果的影响。所提方法不需要对系统的耦合系数和相移偏移量进行预校正,可实现简便、快速的相位误差补偿。模拟及实验结果验证了该方法的有效性。

提出了一种时空结合的三频时间相位展开方法,提高了三频时间相位展开方法的抑噪能力和相位展开的可靠度。在所提方法中,用灵敏度大于1的条纹代替传统三频时间相位展开法中灵敏度为1的条纹。通过计算这些条纹的截断相位,对其进行空间相位展开,并利用这些展开相位来指导其他两帧高灵敏度截断相位图的展开。与传统三频时间相位展开方法相比,在最高灵敏度条纹空间频率相同的情况下,所提方法缩小了三套条纹之间的频率倍数差,进而减小了噪声对相位展开的影响,提高了三频时间相位展开的可靠度和精度。

在相位测量轮廓术中，测量系统中投影仪等存在的非线性响应大大影响了相位测量的精度，因此，如何快速高效地消除系统中的非线性误差是提高测量精度的关键。本文建立了相位误差的精确模型，并提出了一种基于相位误差精确模型的相位提取方法，利用高步数相移算法预先标定各频谱分量的比例关系，再通过迭代运算即可得到高精度的相位分布。实验结果表明，该方法可有效补偿非线性误差，从而大大提高相位测量精度，同时，由于各频谱分量是通过高步数相移预先标定的，仅三步相移即可得到高精度相位分布，满足了快速、实时的测量要求。

传统2+1三维实时测量方法需要投影两帧相移光栅加一帧背景光图像，提出了一种新型双色2+1三维实时测量方法，该方法仅需两帧双色光栅。事先编码两帧双色光栅，红色通道分别为相移量相差π的正弦条纹，蓝色通道为与正弦条纹直流分量等值的背景光，由此可以标定出彩色CMOS相机红蓝通道灵敏度之比。测量时按照上述方法编码两帧相移量差π/2的双色光栅并合成为重复视频，重复视频通过投影仪投影到待测物体表面，并利用彩色CMOS相机即可同步实时采集彩色变形条纹图视频。经计算机处理提取不同时刻的彩色变形条纹图序列，从而利用2+1算法实现运动物体实时在线三维测量。此方法利用红蓝通道能有效减少颜色串扰，并且只用投影两帧双色光栅，提高了测量的实时性。实验结果和分析证实了该方法应用于物体实时运动的可行性和有效性。

针对多频外差解相法易产生相位跳跃性误差的问题,提出一种基于多级条纹级数修正的相位误差校正方法。根据叠加条纹的相位周期对叠加条纹级数进行第一级粗修正,可有效避免由伽马效应以及取整函数引起的相位跳跃性误差的累积和传递。优化取整函数,并利用误差绝对相位对初始条纹级数进行第二级精细修正。再根据修正后的条纹级数计算更为精确的目标绝对相位。实验测试结果表明,经本文方法校正后的三维重构模型表面平整光滑、细节清晰且无明显色斑和色块,对相位跳跃性误差有明显的改善作用,提高了结构光三维测量系统的鲁棒性。

采用复合光栅相位测量轮廓术进行三维测量时,从变形复合条纹中能有效地解调出相移变形条纹,此时滤波窗口的选择至关重要。通过分析噪声特征及其对频谱成分不同取向影响的差异性,寻找空间频谱在两个正交方向上的最佳滤波窗口,建立了一种提高测量精度的混合滤波窗口。数字模拟表明,所设计的混合窗口对噪声的抑制均优于矩形、三角形、布莱克曼和汉宁等滤波窗。已知高度平面的测量结果表明,采用均衡噪声和频谱泄漏的混合窗口的重构误差最小,其误差均方根比汉宁滤波窗口减小了9.64%,测量精度得到有效改善。实物测量实验验证了所提方法的可行性和有效性。