改进格雷码条纹投影三维测量方法

传统的格雷码加相移法已经广泛应用于三维测量,但是相位解包裹一般需要投影多幅格雷码条纹,如何实现快速、准确的三维测量仍具有一定挑战性。提出了一种基于几何约束的改进格雷码条纹投影三维测量方法,可以有效减少格雷码条纹的数量。为了实现高速条纹投影,使用二值抖动技术将8位正弦相移条纹转换为1位二值图像。总共使用六幅条纹图像,其中三幅相移条纹用于计算截断相位,三幅格雷码条纹用于对截断相位进行初步展开获得伪展开相位,最后利用几何约束对伪展开相位进行解包裹获得绝对相位。实验结果表明,所提方法可以有效地重建被测物体的三维形貌。     

三维形貌测量中基于错位条纹的解相位方法

针对光栅投影法三维测量中的相位展开问题,提出一种用四步相移法求取折叠相位的解决方案.在相移图中,提取带有90°相移的4个单周期正弦条纹,对4个单周期正弦条纹进行编码组合,生成错位条纹.测量中,摄像机获取的错位条纹图像和相移图像按灰度值相减,得到4幅条纹差图,提取各差图中灰度值为零的条纹,依此确定错位条纹图像中各个单周期...     

四步相移结合互补格雷码的快速相位展开

为提高相移条纹投影测量系统的精度与效率,提出了一种四步相移结合互补格雷码的快速相位展开方法,有效消除了相位展开误差,并能够显著提升计算效率.引入的互补格雷码与传统格雷码的条纹阶次存在半周期错位,利用这种错位与中值滤波结合可完全消除相位展开误差.首先,采用大津法对全亮图案进行二值化生成掩码图像;其次,以掩码图像非零区域为...     

改进的阶梯相位去包裹算法研究

为减少投影条纹数量,提高测量速度,提出了一种 改进的阶梯相位去包裹算法。算法 采用彩色条纹投影测量物体三维形貌,将正弦和阶梯相位条纹分别输入彩色图像的红 色和蓝色通道构成彩色条纹,由DLP投影仪将四步相移彩色条纹投影到待测物体上,由彩色 CCD相机采集。利用颜色分离技术得到2组四步相移条纹图,其中一组为4幅正弦条纹,由四 步相移法求得正弦条纹包裹相位,另一组4幅阶梯相位编码条纹图,由与正弦条纹周期一致 的阶梯相位构成,经阶梯相位解码确定条纹级次,利用自校正算法去除条纹级次噪点后,实 现相位去包裹。进行了实际测量,结果表明,本方法 测量精度与采用四步相移法相当,但只需4幅条纹图,有效减少了投影和采集的条纹数量, 提高了测量速度。     

无人机动态目标的快速捕获跟踪演示实验

为避免多级灰度值编码所带来的非线性问题,并 进一步提高测量速度和适应性,提出了一种二 元阶梯相位编码方法。首先,利用传统N步相移法,投影若干幅 正弦光栅条纹到待测物体表面,接着投影 若干幅相移条纹对应的采用二值化编码的条纹;在通过四步相移法求得光栅条纹的包裹相位 后,利用二值 编码条纹解调后得到的阶梯相位,确定光栅条纹的周期级次;最终根据周期级次对包裹相位 进行解包裹得 到绝对相位,完成相位去包裹。利用二值化条纹进行阶梯相位编码的方法,克服了传统阶梯 相位编码方法 使用多级灰度值引起的非线性问题。实验结果表明,以单通道投影图像数目为标准,在同等 条件下,与已有的同类方法相比,本文方法的测量速度提高了12.5% ,且适应性强,能够有效地进行物体的三维形貌测量。     

一种适合低信噪比投影栅的时空二维相移算法

提出了一种适合低信噪比投影栅的时空二维相移算法。首先设计四步相移正弦光栅条纹图,由DLP投影仪投影到待测物体表面,再由CCD相机采集受物体形貌调制的变形条纹图;然后对其中一幅变形条纹图进行傅里叶变换以确定抽样间隔,再对4幅相移条纹图用相移法求得条纹背景和调制幅度后,对每幅变形条纹图做归一化处理;对每幅相移条纹图在空间域进行下采样抽样和灰度插值,构建相移莫尔条纹图,得到多帧时空域相移条纹图;对多帧时空域相移条纹图按时空二维相移法处理求得莫尔相位,再将莫尔相位与抽样点相位叠加求和得到变形条纹图对应的相位数据;最后,以面膜作为样品进行了实验测量,结果表明,经典四步相移法重构的物体形貌出现明显失真,而本文方法能较好恢复物体的三维形貌。     

基于单频四步相移条纹投影的不连续物体三维形貌测量

提出了基于单频四步相移条纹投影的不连续物体三维形貌测量方法。由计算机产生相移步长为π/2的4幅正弦条纹图像,利用液晶投影仪投影到被测物体表面,由CCD相机同步采集获得含有形貌信息的畸变条纹图并保存在计算机中,通过四步相移算法获得条纹相位信息。对于表面形貌不连续的物体,通过4幅畸变条纹图灰度算术和运算并进行二值化处理定位阴影或暗背景,利用二值图像修正解调的相位从而得到正确相位。实验结果验证了本方法的有效性。     

基于投影栅相位法的强反射表面三维测量

结构光三维测量技术以其非接触、精度高等优点而具有广泛的应用,但对于强反射物体表面,所采集的结构光图像会形成局部亮度饱和,导致信息失真或丢失,无法进行精确的三维重建.为实现强反射表面的测量,采用了一种改进的基于投影栅相位法的三维测量方法,对投影的相移编码图像二值化,并采用多幅不同曝光时间下所采集的图像进行融合,重建条纹图像序列,该方法增强了编码图像的鲁棒性,较好地解决了相机动态范围与物体表面反射亮度范围不一致的问题.实验结果表明,所提方法能够克服已有方法中图像局部饱和所导致的测量信息丢失的缺陷,实现对强反射曲面的结构光三维形貌的高精度完整测量.     

条纹投影动态3维测量中相位高精度估计

为了提高条纹投影动态3-D形貌测量精度, 采用加窗傅里叶分析辅助相移的方法来减小运动导致的相移误差。首先采用加窗傅里叶分析法估计变形条纹间的实际相移量, 然后采用最小二乘法估计出变形条纹的高精度相位分布, 最后由估计的相位计算得到场景3维形貌。理论分析了物体运动对相移量的影响, 通过仿真研究了所提方法的相移量估计精度, 并搭建了实验系统进行验证。结果表明, 实验中采用所提方法的相位恢复精度达到0.1673rad, 比现有方法有明显提高。该方法用来提高条纹投影动态3-D形貌测量中相位精度是有效的。     

绝对相位展开方法研究

提出一种新光学三维传感方法。该方法通过投影多组周期不同的正弦光栅条纹到被测物体表面,通过相移算法,反解各组投影条纹的截断相位,并采用所提绝对相位展开方法,对截断相位进行了解调,实现了对物体表面的测量。与双频光栅投影测量方法及传统时间相位展开方法相比,该方法投影条纹组数灵活、测量效率高,实验证明该方法的适用性。     

基于学习的光栅图像噪声抑制方法

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。     

无相位去包裹的微分法三维形貌测量

提出了一种无需相位去包裹的微分算法,应用于 投影栅三维形貌测量。首先由计算机设计并生成 4幅四步相移正弦条纹图,利用DLP投影仪将其投影到待测物体上;然后由CCD相机采集受待 测物体面型调 制的变形光栅条纹图。再利用4幅四步相移变形条纹图,经数值运算求得沿水平和垂直方 向上待测物体 相位的偏导数,而相位偏导数的积分过程相当于求解泊松方程,于是利用离散余弦变换(DCT )求解泊松方程就可得 到待测物体三维形貌对应的相位数据,从而重构待测物体的三维形貌。测量结果表明,相位 解调的 标准差小于0.031rad,验证了本文方法的有 效性。     

改进的三频三步相移结构光三维重建方法

针对结构光三维重建中的传统三频三步相移方法需要投影过多编码图像、效率低的问题,提出了改进的三频三步相移结构光三维重建方法。该方法与传统三频三步方法均需要3种频率的正弦条纹图,但条纹图数量只需5张,即最高频率的条纹图3张,但初始相位不同,剩余频率的条纹图各1张。较传统方法的9张条纹图投影效率提高44.44%。随后推导了该方法的求解原理,由最高频的3张条纹图直接求得重建所需包裹相位,另外两张条纹图用于对包裹相位进行展开,理论上该方法与传统三频三步算法具有相同的精度。最后进行了4组实验,验证了该方法的重建精度、复杂不连续模型重建能力、不同光照环境中的重建稳定性以及对彩色物体重建能力。结果证明该方法在有效提高测量速度的同时保证了和传统三频三步方法一致的精度和适应性。     

两步广义相移的投影栅轮廓术

将两步广义相移法引入投影栅形貌测量,提出了 一种两步广义相移的投影栅轮廓术 。首先将2幅随机相移正弦条纹通过DLP投影仪投射到待测物体上,由CCD相机采集受物体形 貌调制的变形光栅条纹图;然后选择合适大小窗口经像素逐点均值法消除变形栅线图中的 背景 成分,利用栅线图灰度利用极值法、亚像素插和多点平均算法,准确提取2幅随机相移栅线 图的相移量;最后由求得的相移量和2幅消除了背景成分的栅线图,计算出与形貌对应的相 位数据。进行了实际测量,结果表明本文方法的可行性。     

基于彩色编码条纹投影的孤立物体三维测量

针对空间分布呈区域状、不连续的孤立物体采用条纹投影与相位分析方法进行三维面形测量时,很难得到可靠的相位展开这一问题,提出了通过先后投影两幅π相移的彩色编码正弦条纹到孤立物体表面,方便快捷地还原对应区域颜色信息,同时利用截断相位分布的阶跃边界获得更准确的分色结果,用以指导相位展开。实验验证了方法的有效性。     

利用相移条纹相位解调的广角镜头畸变校正

文中提出了一种基于相移条纹图相位分析的广角镜头畸变校正方法。首先,用大尺寸液晶平板显示器显示四幅相移量为π/2的余弦条纹图作为校正模板。然后,用广角镜头相机拍摄该校正模板,获得四幅畸变条纹图,使用四步相移算法解调径向畸变条纹图的相位分布。由于经广角镜头成像的图像中心区域几乎无畸变,利用图像中心无畸变的相位值进行数值拟合得到径向无畸变条纹图的相位分布,作为求解径向畸变相位的基准,也就是径向畸变相位分布可以根据径向畸变条纹图的相位分布与径向无畸变条纹图相位分布相减得到,再将畸变相位转换成实际的畸变量。提出的方法不需要通过特征点或特征线确定畸变模型,可以直接计算畸变图像中每个像素点的畸变量。实验结果表明,提出的方法简单、有效,具有广泛应用价值。     

三维小视场成像系统

研究了一套投影正弦光栅条纹,测量表面有大梯度或非连续结构等复杂形貌微小物体的三维测量系统。针对所测量物体大小,通过将体视显微镜、相机和投影仪组合,研制了具有较小视场的条纹投影系统。软件产生具有最佳条纹个数的三组正弦条纹图,每组包含四个彼此间有90相位移动的条纹。根据所测量物体表面颜色和纹理特性,选择投影系统的合适颜色通道投射软件所产生的正弦条纹序列到被测物表面。相机从另一角度获取经被测表面调制的变形条纹图。通过四步相移和最佳条纹选择方法分别计算得到折叠相位图和展开相位图。利用水平精密移动台定位一水平白板到几个已知位置,建立绝对相位和深度之间的关系,获得系统深度方向的数据。微小物体的三维形貌测量实验证明了所研制成像系统的可行性和准确性。     

用于高反表面测量的分块平滑自适应条纹投影方法

条纹投影轮廓术用于测量高反表面时，相机成像会出现饱和区域，区域内相位信息难以提取，进而造成三维重建错误。为此，文中提出了一种分块平滑自适应条纹投影方法。首先，通过投影少量均匀灰度图，对饱和区域进行分块，根据各块的饱和程度，计算相应的初始投影强度。随后，在不饱和情况下，投射亮暗两种强度的条纹图，通过在饱和区域融合两者相位信息，实现相机到投影仪的坐标匹配，获取初始映射投影强度；然后，对初始映射投影强度进行多项式拟合，构建平滑的投影强度曲线，用于逐像素获取最佳投影强度值，同步填补了因相机与投影机分辨率差异引起的映射孔洞，最终生成自适应条纹。最后，将生成的自适应条纹投射至被测物体，进行了相位解算和三维重建。实验结果表明：所提方法只需投影少量灰度图就能生成高动态范围的自适应条纹，实现了饱和区域相位信息的完整提取。相比于现有改进方法，面形三维重建的标准偏差分别减少了40%和28.6%，有效地提高了高反表面形貌测量精度。     

3D形貌测量中一种基于主成分分析的单帧投影栅算法

将主成分分析(PCA)引入投影栅形貌测量中,提出 了一种基于PCA的单帧投影栅算法。由计算机生成正弦条纹图,利用DLP投影仪投影到 被测物体表面,由CCD相机采集受物体 形貌调制的畸变条纹图并保存在计算机中进行处理。首先由采集的变形条纹图构成5帧 空域相移图;然后将多帧相移条纹图分解成不相关的主成分,由第1和第2主成分利用反正 切函数计算得到变形条纹相位信息;最后根据条纹相位的单调性,采用聚类分析法确定相位 全局符号。实验结果表明,本文算法无需确定相移量就可直接解调出与物体形貌对应的相位 数据,运算速度快,测量精度高,适用于在线三维形貌测量。     

基于时域傅里叶变换的广义相移相位恢复方法

提出了一种基于时域傅里叶变换的广义相移相位恢复方法。该方法不需要对相移量进行特殊标定,就可从一系列相移量单调变化的干涉条纹图中快速地恢复出物体的相位。由于所提方法是运用傅里叶变换逐点从频域提取物体的相位,所以该方法不仅具有良好的抗干扰性能,而且对干涉图中的条纹数目没有要求,可以从条纹数少于1的相移干涉图中精确地恢复相位。数值模拟与实验结果均表明所提方法具有操作简单、方便、快速、精度高等优点。