基于双频彩色光栅投影测量不连续物体三维形貌

为减少多频条纹相移法进行三维形貌测量时的投影条纹数量,提高测量速度, 提出了采用双频四步相移彩色条纹投影技术来准确测量具有台阶状不连续或孤立物体表面三维形貌的方法。利用计算机将高低两种不同频率的正弦条纹分别输入彩色图像的红色和蓝色通道合成为彩色条纹,由数字视频投影仪将四步相移彩色条纹投影到被测物体,然后利用彩色CCD或CMOS相机采集4幅彩色条纹图并存储于计算机中。基于色彩分离技术得到8幅两种不同频率的四步相移条纹图并由图像灰度算法获得1幅反映背景的灰度图像;由低频条纹确定台阶状的物体边缘,高频条纹计算物体的形貌,并通过背景图像的二值化定位阴影和不连续区域。提出的方法仅用4幅彩色图像完成了台阶状不连续或孤立物体三维形貌的准确测量。与现有的多频4步相移条纹投影形貌测量技术需要8~12幅图像相比,该方法有效地减少了条纹投影与图像采集的数量。     

金刚石复合片与硬质合金的钎焊研究

通过聚晶金刚石复合片与YG8硬质合金的高频感应钎焊试验,研究了不同钎料钎剂搭配对高频感应钎焊接头抗剪强度、焊缝厚度的影响,并用扫描电镜和电子探针观察、分析了焊缝的微观结构。结果表明,690℃钎焊温度下含Mn的1号钎料和活性温度较高的QJ102钎剂是最佳搭配方案。探讨了聚晶金刚石复合片的特殊钎焊工艺,认为采用复焊方法可以大幅提高钎焊接头的抗剪强度。     

用于强反射表面形貌测量的投影栅相位法

为了实现强反射表面三维形貌的光学非接触测量,提出一种改进的投影栅相位法。分析了强反射表面的反射光特点及其对相位解算的影响,指出了反射光亮度范围与相机动态范围的不一致是导致传统投影栅相位法测量失效的主要原因;提出了亮暗条纹投射、多曝光时间采集图像和图像合成等技术,使相机亮度测量范围与强反射表面的反射光亮度范围相一致,并分析了此方法的可行性和适应范围。最后,给出了改进投影栅相位法的条纹投射与图像采集步骤。实验结果表明,改进的投影栅相位法克服了强反射表面引起的条纹图像饱和或过暗问题,能够成功测量出99.6%以上的三维点云,有效解决了测量点云缺失问题,能够实现强反射表面三维形貌光学非接触测量。     

条纹投影三维形貌测量的变分模态分解相位提取

针对条纹投影三维形貌测量涉及的相位提取,提出了一种基于变分模态分解的单幅条纹投影相位提取方法。通过建立变分模态分解模型和极小化变分模态分解将单幅投影条纹图分解成背景部分、条纹部分和噪声部分。然后对得到条纹部分进行Hilbert变换和反正切变换得到包裹相位;对其进行质量导向相位解包裹和Zernike多项式去载频得到解包裹相位。将该方法与Fourier变换、连续小波变换进行了对比,结果显示:本文提出的相位提取方法相位误差为3.14×10-4,小于Fourier变换和连续小波变换方法对应的误差3.30×10-4和6.52×10-4。模拟和实验结果表明:本文提出的方法在处理具有边缘信息投影条纹图时具有优势,能够提取出更准确的相位信息,可有效地用于含边缘不连续和突起的三维物体测量。     

用继承与优化算法精密拼接无序点云

对结构光三维扫描检测系统的拼接技术进行了研究,建立了两个待拼接点云之间的对应关系,提出用继承与优化算法进行点云的精确拼接.阐述了算法原理,通过建模获取拼接过程中的旋转和平移参数,提出并分析J,拼接的实现过程.采用光栅投射式三维扫描仪获取某型号汽车防雨板的6组点云数据,用提出的算法进行点云拼接,利用多分辨率层次精度分析法对拼接结果进行误差分析,并与最临近点迭代法在拼接精度、收敛速度和耗时上进行r比较.实验结果表明:继承与优化算法可实现海量无序点云的精确拼接,拼接的标准偏差<0.10 mm,两点云对拼接时间<2 s,所需迭代次数比ICP方法减少5次以上.     

基于数字光处理的结构光三维扫描系统的设计

结合结构光投影三维扫描的原理,设计了数字微镜器件(DMD)作为结构光的发生装置,主控芯片为FPGA,实现了高速的DMD的控制和相机的同步采集。搭建了一个嵌入式三维扫描光学平台,并应用四步相移法完成实验。首先指定不同方向和周期的正弦条纹结构光,同步采集图像;然后通过软件设计完成对采集图像的预处理、相位的解调、相位的展开、相位-高度映射还原得到三维的深度信息并建模;最终获得最高464.8帧/s不同方向和周期的正弦条纹结构光显示,达到194帧/s的相机触发采集,三维扫描效果图清晰,还原和重建效果理想。     

光栅纹影法二维层化流体密度场测量技术研究

提出了一种简单的流体密度梯度分布测量系统,该系统在传统纹影系统中引入计量光栅,将光线因流体密度变化引起的偏折转变为投影条纹图的变形,通过分析变形条纹图来提取流体密度梯度分布信息.在分析条纹图时,使用小波变换相位分析法,利用小波变换的局部化特性,有效消除无效数据的影响.实验结果表明:系统的密度梯度测量范围能够达到0.01 g/cm4,测量精度能够达到5×10-6 g/cm4.系统装置简单,调节方便,适用于密度变化大的流体密度梯度测量.     

一种基于相移技术的物体表面三维轮廓测量方法

提出一种将阴影莫尔条纹法与相位测量技术相结合的物体表面三维轮廓测量方法 ,该方法利用电磁铁和精密机械部件对光栅进行定位控制以实现精确相移 ,并采用三步相移技术对CCD摄像机采集的物体表面形貌莫尔条纹进行相位解调 ,可有效实现物体表面三维轮廓的高速、高精度自动测量。     

基于彩色条纹投影术的三维形貌测量

物体表面三维形貌数据的获取在智能制造、航空航天、文物保护、医疗卫生、远程教育等领域有着广泛的应用。三维形貌数据的获取受限于系统硬件的性能,特别是现有数字投影系统的投影速度,无法快速测得物体面形的三维形貌。彩色成像和投影系统的出现,为并行多颜色通道三维成像系统提供了新的研究方向。详细综述了基于彩色条纹投影术的三维形貌数据测量研究的现状。具体包括彩色条纹投影术的基本原理、彩色条纹调制和解调相关技术、三维成像系统的标定、以及未来的研究方向。接着给出几个利用彩色条纹投影术获取物体表面三维形貌和彩色纹理的实例。为彩色条纹投影术测量物体表面三维形貌数据提供了详尽的综述,并指明了未来潜在的研究新方向。     

三维物体全视差全息体视图的快速计算

针对传统全息技术对三维数据源要求高、计算量大以及实现速度慢等问题,提出了一种三维物体全视差全息体视图的快速计算方法。该方法对全息面和再现面分别进行空间分割和频谱采样,通过迭代傅里叶变换算法计算多个基元全息图,叠加构成全息图单元。由摄像机获取三维物体不同角度的二维视差图像,基于人眼双目视差立体视觉原理,构建视差图像与全息图单元的对应关系。最后,利用全视差图像调制全息图单元中对应衍射方向的基元全息图,快速合成三维物体全视差全息体视图。基于液晶空间光调制器构建的光学系统对全息体视图进行了再现实验。结果表明,与传统全息图计算方法相比,本文方法容易获取数据源,计算量较小,能够快速计算全息体视图,实现三维物体不同视角图像的再现。     

Design of thin-structured-light projection system for small-height measurement

A thin-structured light projection system with simple setup is proposed and applied to small-height measurement. In this system, the design of structured light pattern is carried out on the computer. The structure, color, geometric dimension, motion mode, projection brightness, contrast, and other attributes of the pattern can be edited easily. The optical system with zoom function is designed, which can output thin-structured-light fringe with a minimum width of 10 μm. The camera and microscope are used to construct a vision system, which is used to capture the pattern of structured light. The three-dimensional (3D) shape reconstruction is realized by analyzing the pattern of structured light. The results show that this system can project a small width of thin-structured light pattern, which is very suitable for 3D shape reconstruction of microscopic objects with the small-height of tens of microns to hundreds of microns.     

基于价值函数的二维小波变换小波脊提取算法

条纹图存在噪声干扰时,将二维小波变换系数模的最大值作为小波脊,会产生较大误差。针对这一问题,提出了基于价值函数的二维小波变换小波脊提取算法。首先,提取二维小波变换系数模的最大值点,并将最大值90%的局部极值点提取出来,共同作为小波脊候选点;其次,在模上引入尺度因子的梯度,建立价值函数进而评估所有候选点的价值,利用对数Logistic模型进行权值调整改进,从而得到更加合理的价值估计;最后,使用动态规划思想准确找出最优的小波脊线,提取脊线处的相位即可得到包裹相位。其优势在于能准确解调信噪比较低的条纹图案,抗噪性能优于直接最大模的小波脊提取;并且只需投影一幅条纹图案即可重建物体形貌,可用于恶劣环境下的动态三维测量。计算机仿真和实验结果表明,对于含有噪声污染的条纹图,所提算法相较于最大模的小波脊提取算法,三维形貌恢复精度明显提高;而相较于全部局部极值点提取,其运算时间缩短了46.9%。同时,应用不同母小波于所提方法,仿真结果表明二维Cauchy小波具有更好的方向性和更高的精度。     

基于三维傅里叶变换的胸腹表面测量

鉴于人体胸腹表面三维运动测量在精确放疗等医学领域中的重要应用背景,提出一种三维傅里叶条纹分析与三频时间相位展开相结合的三维傅里叶变换胸腹表面测量方法。投射一幅不同频率三原色余弦条纹组成的图案,每采集一幅图像就能实现相应时刻胸腹表面的三维形状测量;将动态条纹图像序列作为一个三维序列整体,通过三维傅里叶变换并结合三维高斯滤波器提取折叠相位。无干扰时其均方根误差不超过0.005rad,峰谷值误差不超过0.015rad,其抗干扰能力高于二维傅里叶条纹分析和其他胸腹表面三维傅里叶条纹分析方法;通过三频时间相位展开方法进行折叠相位展开,在限定条件下绝对相位的误差不超过折叠相位的误差。理论分析和实验结果表明,本文方法能实现人体胸腹表面的三维动态测量。     

基于结构光技术的高光表面三维测量方法

分析了结构光技术对高光表面无法完整测量的原因,提出一种双目多次曝光测量和投影仪-摄像机单目测量相结合的三维测量方法。双目结构光系统中的两个相机采用不同的曝光时间采集一系列光栅条纹,并从每次曝光中选择高质量像素解相。将每次曝光的选择结果拼合成一张完整的相位图,并通过三角原理法计算三维坐标。双目结构只对左右相机可视区域测量,投影仪-摄像机单目测量避免了由于某个单摄像机视线存在高光或遮挡等原因引起的三维测量数据缺失问题,有效提高了测量结果的完整性。实验表明,上述方法测量高光表面具有良好的效果,系统测量精度可达0.06mm。     

快速离焦投影三维测量技术

随着数字投影技术的发展,基于投影的三维面型测量技术在多种场合得到广泛应用。基于相移的结构光投影测量技术以其算法简便精度较高得到较快发展。但投影仪为非线性仪器,会影响强度变化,进而影响相位测量精度;此外由于投影仪工作原理的投影速度受到限制。离焦投影技术的出现为高速测量和高精度测量提供了新的方法。总结了目前国内外对离焦投影技术的研究现状;从投影工作原理、相移算法、解包裹算法、误差补偿、条纹调制、标定技术及离焦投影技术的相关技术细节进行全面介绍,为数字离焦投影三维测量工作的研究提供参考。     

Quantification of micrometre-sized porosity in quasicrystals using coherent synchrotron radiation imaging

The ability to image phase distributions with high spatial resolution is a key capability of microscopy systems. Consequently, the development and use of phase microscopy has been an important aspect of microscopy research and development. Most phase microscopy is based on a form of interference. Some phase imaging techniques, such as differential interference microscopy or phase microscopy, have a low coherence requirement, which enables high‐resolution imaging but in effect prevents the acquisition of quantitative phase information. These techniques are therefore used mainly for phase visualization. On the other hand, interference microscopy and holography are able to yield quantitative phase measurements but cannot offer the highest resolution. A new approach to phase microscopy, quantitative phase‐amplitude microscopy (QPAM) has recently been proposed that relies on observing the manner in which intensity images change with small defocuses and using these intensity changes to recover the phase. The method is easily understood when an object is thin, meaning its thickness is much less than the depth of field of the imaging system. However, in practice, objects will not often be thin, leading to the question of what precisely is being measured when QPAM is applied to a thick object. The optical transfer function formalism previously developed uses three‐dimensional (3D) optical transfer functions under the Born approximation. In this paper we use the 3D optical transfer function approach of Streibl not for the analysis of 3D imaging methods, such as tomography, but rather for the problem of analysing 2D phase images of thick objects. We go on to test the theoretical predictions experimentally. The two are found to be in excellent agreement and we show that the 3D imaging properties of QPAM can be reliably predicted using the optical transfer function formalism.     

3D measurement of crater wear by phase shifting method

In this paper, a new method of non-contact tool wear measurement is presented. It employs a phase shifting method using fringe patterns to measure crater wear by constructing a 3D map of the tool insert. Four fringe patterns with various phase-shifts are projected onto the rake face of the tool upon which four gray-level images are captured. By solving and then unwrapping the phase map with the four images, a 3D profile of the tool is obtained to provide the overall size of the crater wear land. Sample tool inserts with various crater wear surfaces have been evaluated with the method and the results demonstrate that the system is robust to ambient light and is accurate and applicable for use in real industrial environment to measure crater wear.     

Defocusing microscopy

Transparent objects (phase objects) are not visible in a standard brightfield optical microscope. In order to see such objects the most used technique is phase-contrast microscopy. In phase-contrast microscopy the contrast observed is proportional to the optical path difference introduced by the object. If the index of refraction is uniform, phase-contrast microscopy then yields a measure of the thickness profile of phase objects. We show that by slightly defocusing an optical microscope operating in brightfield, phase objects become visible. We modeled such an effect and show that the image contrast of a phase object is proportional to the amount of defocusing and proportional to the two-dimensional Laplacian of the optical path difference introduced by the object. For uniform index of refraction, defocusing microscopy then yields a measure of the curvature profile of phase objects. We extended our previous model for thin objects to thick objects. To check our theoretical model, we use as phase objects polystyrene spherical caps and compare their curvature radii obtained by defocusing microscopy (DM) to those obtained with atomic force microscopy (AFM). We also show that for thick curved phase objects one can reconstruct their thickness profiles from DM images. We illustrate the utility of defocusing microscopy in biological systems to study cell motility. In particular, we visualize and quantitatively measure real-time cytoskeleton curvature fluctuations of macrophages (a cell of the innate immune system). The study of such fluctuations might be important for a better understanding of the engulfment process of pathogens during phagocytosis.     

动态场景下基于光流的语义 RGBD-SLAM 算法

为解决传统的同时定位与建图算法在复杂动态环境下容易受到动态目标干扰而导致定位精度差和建图错误的问题,提 出了一种动态场景下基于光流的语义 RGBD-SLAM 算法。 首先,通过优化的二维相邻帧透视矫正方法,对当前帧进行透视矫正 以补偿相机运动;然后,将矫正后的图像输入 RAFT-S 网络中,在获得低分辨率的稠密光流场后提取动态目标的掩码,并根据上 一帧掩码中动态目标的位置和速度信息,对当前掩码中的动态区域进行跟踪和优化,从而提取动态目标在每一帧中的精确区 域;最后,分离静态和动态特征点,通过最小化静态特征点的重投影误差,得到优化后的相机位姿,并结合轻量级语义分割网络 BiSeNetv2 提供的语义信息和相机提供的深度信息,构建无人的静态语义八叉树地图。 公开数据集 TUM 上的测试结果表明,本 文算法的绝对轨迹误差相对于 ORB-SLAM2 减少了 90% 以上,并能获取精确的动态区域掩码以及准确的语义地图,验证了该算 法在复杂动态场景中具有良好的定位精度和鲁棒性。