人体三维扫描结构光解相位方法研究

在三维表面测绘中,基于格雷码和相移的结构光三维测量技术在临床医学中已被广泛应用.由于环境光、相机以及被测人体表面反光不均匀等因素的影响,相位展开时容易出现错误.针对上述问题本文提出一种算法,采用一幅没有条纹投影的目标图像和一幅经过条纹投影的图像共同完成图像分割,以期提高格雷码投影图像的分割准确率,消除目标表面纹理和环境光线的影响.再对格雷码图像和四步相移图像进行解码,得到绝对相位,并对绝对相位进行周期错位校正,最终获得理想的相位信息.实验系统由一个投影仪和平行双目摄像头组成,先后对仿真头部模型以及人的小臂进行三维扫描,生成的三维点云结果表明了该算法的可靠性.     

非整数倍双频光栅投影的相位测量轮廓术

采用整数倍双频光栅投影的借助低频相位导向的双相位图成整数比例相位展开方法不可避免误差积累传递,由此提出了一种采用非整数倍双频光栅投影的新光学三维传感方法。非整数倍双频光栅条纹投影到物体上,两相位同时分别以特定相位间隔增长,CCD依次获取16帧变形条纹图,通过这16帧条纹图的强度,可有效地分离出两组受物体调制的对应频率变形条纹的截断相位。利用两组截断相位关系,进行绝对相位展开,避免相位展开中误差的传递,较好地重建了被测物体的轮廓。计算机模拟试验结果证实,该方法与采用整数倍双频光栅投影相比,测量高度为105mm的同一不规则物体时,标准偏差由0.821mm降低到0.760mm。     

相位扫描法制作变栅距光栅

提出了一种制作变栅距(VLS)光栅的相位扫描方法。该方法的主要装置包括一个用于控制刻划机运动的光栅干涉仪和一个相位扫描机构。如果调整光栅干涉仪,保证接收场中只有两条干涉条纹,然后改变用于对条纹进行计数的光电传感器的位置,就可以刻划出具有变栅距的刻槽。对光电式光栅刻划机的控制系统和结构都做了详细论述。按照上述方法成功刻划出了试验性的VLS光栅,它的最小栅距增量为0.33nm,并对在制作过程中产生的误差进行了讨论。采用测量衍射角的方法进行了栅距检测试验,由变栅距光栅和等栅距光栅作出的拟合曲线表明:相位扫描方法是加工具有亚纳米栅距增量的VLS光栅的有效方法,该方法对超精密定位也具有借鉴作用。     

相移条纹投影三维形貌测量技术综述

结构光三维形貌测量系统目前得到了越来越广泛的应用和研究,相移条纹投影三维形貌精密测量技术是其重要的发展方向。对结构光相移条纹投影三维形貌测量系统的应用发展、工作过程、不同系统构成方式、相移条纹的各种形式及特点、相位误差校正方法、不同相位解包裹算法及其优缺点和适用场合、测量系统数学模型的实现方法及其相应的优缺点、高动态范围测量技术等进行了详细的分析。对相移条纹投影系统的工作流程、实现方法、关键技术的发展及其存在问题等进行了比较全面的梳理,为三维形貌精密测量技术进一步满足先进制造中更高精度的要求指出了后续的研究方向。     

基于面结构光的无效相位区域补偿算法

针对面结构光三维测量中投影盲区导致出现无效相位区域的问题,提出了一种无效相位区域补偿方法.根据光栅投影法重建原理可知,无效区域的主值相位为参考平面对应的主值相位值.首先,由投影仪投射一幅具有均匀光强的白光图到被测钢板表面,使用CCD相机采集钢板表面背景图;其次,对其进行二值化,得到无效相位区域位置;然后,通过背景相位图替换,得到无效相位的真实相位,完成无效相位区域的补偿;最后,对一块带孔洞的钢板进行三维重建,对比分析无效相位区域补偿前后的孔洞直径测量结果.实验证明,无效相位区域补偿后孔洞测量精度为0.1 mm,补偿前孔洞测量精度结果为0.3 mm,因此该方法改善了阴影盲区导致的孔洞直径测量误差较大的缺点,在一定程度上提高了孔洞直径的测量精度.     

直线拟合的高准确度投影结构光系统标定算法研究

针对现有投影仪-相机结构光测量系统标定算法准确度不高的问题,提出一种基于直线拟合的高准确度标定算法。该算法首先找到系统灰度响应线性度较好的灰度区间,在该区间内采用三频四步相移算法对相机获取的投影光栅图像进行相位恢复。然后计算出棋盘格角点在相机坐标系中的坐标,并找到这些角点在投影仪图像中的对应像素点,通过直线拟合的方法进行优化,提高匹配点的搜索准确度。最后采用双目视觉的标定方法实现投影结构光系统的标定。系统标定实验的结果验证所提出的基于直线拟合的标定算法具有较高的标定准确度,有助于后续高准确度的三维重建与测量。     

基于光栅结构光双目视觉的动态三维测量方法研究

基于矩形光栅结构光和双目立体视觉测量技术,提出一种物体表面三维形貌的动态测量方法。采用基于光平面引导的稠密光栅光条匹配方法完成左右摄像机光条图像的匹配,该方法先通过各光平面对应的单应矩阵实现左右图像点的对应,再结合极限约束及空间点距离约束完成左右光条中心点的全局最优匹配,以此解决由两摄像机和投影仪组成光栅结构光测量系统中光条匹配难题,对匹配完成的图像光条点应用双目立体视觉测量原理完成物体表面的三维重建。实物实验中,对姿态变化的手臂进行测量,结果证明仅需投影单幅光栅图案可实现手臂三维形貌的测量,验证该方法的有效性。     

基于格莱姆-施密特正交化两步相移轮廓术

将格莱姆-施密特正交化法引入投影栅形貌测量,提出了一种新的两步相移轮廓术.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,再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,然后对消背景栅线图进行格莱姆-施密特正交化,得到2幅消背景相移栅线图对应的正交基,由正交基解调出相位数据.最后对面膜样品进行了实际测量,并与其它方法进行了比较分析,实验结果证明了该方法的有效性.     

光学三维测量中结构光栅投影系统的开发

为解决结构光三维测量系统中的光栅投影质量问题,提出并实现了以物理光栅为核心的结构光栅投影系统。该系统以现代光栅制造技术制造的精密光栅元件为核心,基于幻灯投影原理实现高质量的光栅条纹投影,利用步进电机带动高精密滚轴丝杆进行平移实现投影光栅的切换。实验结果表明,基于该系统实现的光学三维测量系统的可以达到1：100以上的对比度,具有较大的光强和良好的景深,同时能获得连续的强度分布及较好的正弦性,测量误差小于0．04mm,测量精度约为0．03mm,满足工业应用的要求。     

PMP系统中一种新的相位-高度映射算法

在相位测量轮廓术(PMP)系统中,由光路可逆原理将投影仪当成另一台摄像机看待.研究了空间点在摄像机和投影仪上投影关系,得到投影仪无畸变时PMP系统的相位-高度影射关系;再将它展开成多项式,使参数标定变得方便.进一步研究了投影仪存在镜头畸变时,相位畸变量与相位的关系;最后得到考虑镜头畸变的PMP系统相位-高度映射算法及其多项式表达式.通过计算机仿真表明,在通常的镜头畸变情况下采用4阶多项式表达的新算法最大绝对误差达到士1.0369×10-3 mm,标准偏差达到7.832×10-4 mm.最后在实际系统中进行了验证,实验中虽然由于测量误差的影响,测量标准偏差仍然可以达到0.0425mm.     

一种新型光纤传像微三维测量系统

根据结构光测量原理，利用光纤传像束所具有的自由度大、能弯曲及易实现长光路等特点，结合数字条纹投影技术和相移法测量技术，提出了一种新型微三维测量系统．因为从投影仪投射出来的光栅条纹是经光纤传像束及其两端的光学系统投射到被测物体上的。所以与其它同类系统相比，该系统降低了对被测物体方位的要求，从而使测量更加方便。拓展了微三维测量系统的适用范围．构建了测量系统，并对不同对象进行了测量，且重构出了被测物的三维形貌，验证了系统的可行性．     

结构光深度获取系统校准方法

针对基于相位调制的结构光用于深度获取时,投影系统、图像采集系统光瞳中心不等高而引入测量误差,提出一种测量系统校准方法。该方法以N帧正交光栅像与一立方体物体为辅助,根据光场中立方体边缘的阴影位置及其表面光栅栅线变形情况实现系统的粗校准;通过计算立方体深度在光场水平方向引起的相位变化量,指导系统的精校准。该方法可为基于结构光的深度获取装置校准提供理论指导,为非经验装调工作者提供技术支持,实验数据论证了该方法的有效性。     

复合表面形貌测量中通道串扰和色差消除方法

为实现漫反射表面和镜面复合表面的快速测量，基于条纹投影和条纹反射的复合表面测量系统通过相机的多颜色通道快速获得绝对相位。针对复合表面形貌测量中相机、投影仪、显示屏所引入颜色通道间的串扰和色差，研究了基于矩阵的串扰消除方法和绝对相位对应像素偏差的色差消除方法。基于串扰矩阵，分别建立投影仪和显示屏的串扰矩阵，完成颜色通道间的串扰消除。通过彩色正交条纹获得各颜色通道水平和竖直方向的绝对相位，建立颜色通道间相位差和像素偏差之间的关系，实现每一像素点的像素偏差校正，消除色差的影响。实验结果证明，所提色差和串扰消除方法使复合台阶的测量均方根误差从0.479 mm降至0.030 mm，提高了测量效率和测量精度。     

畸变测量中应用窗口傅里叶变换载频条纹分析

为了测量光学成像系统的径向畸变,提出了基于伸缩窗口傅里叶变换空间载频条纹相位分析的测量新方法.畸变分布测量转化为调制相位测量.首先,将纵向朗奇基准光栅作为模板,通过成像系统成为变形光栅即畸变像.接着采用伸缩窗口傅里叶变换提取畸变载频光栅条纹中心无畸变点的基频和相位信息,获得理想无畸变像的基频成分,然后对变形载频光栅条纹进行频谱分析,滤波提取基频信息、逆傅里叶变换、相位解包,提取径向调制相位分布,计算畸变图像的径向位置畸变分布.最后利用该径向位置畸变分布规律和双线性插值灰度重建对畸变图像进行校正.详细的理论分析和实验结果证明,该方法是可行的.     

基于相位测量轮廓术的复合光栅优化设计

基于复合光栅的相位测量轮廓术在物体三维信息重建中是一种非接触、实时的测量方法.通过对这种光栅的形成机理分析,发现当复合光栅中的空间调制光栅的频率一定时,其中相移光栅周期与三维重构精度有关,并且存在一个重构均方差最小值的相移光栅周期,其大小与被测物体的形貌有关.因此,可通过优化复合光栅结构的方法来提高测量精度.利用数字投影仪将连续改变相移光栅周期得到的复合光栅投影到物体,获取变形光栅图像来重建物体的三维信息,从周期数与均方差关系曲线中找到对应的复合光栅的最优化参数,以实现复合光栅最优化设计.通过数字模拟和实验都证实采用优化设计的复合光栅来提高物体的测量精度是有效的.     

高精度的数字光投影傅里叶变换轮廓术

傅里叶变换轮廓术(FTP)采用数字光投影仪(DLP),可以得到各种结构光场,提高了测量的灵活性。由于DLP伽马非线性的存在,变形条纹中会出现高次谐波,可能导致频谱混叠,带来测量误差。因此利用一种基于条纹图强度统计分析的方法,求出DLP的伽马值并反馈给DLP,使其投影出有良好正弦性的结构条纹,能抑制变形条纹中高次谐波的出现,保证FTP的测量精度。将采用和不采用伽马校正的两种情况作对比实验,证明前者测量结果优于后者。     

一种用于复杂形面测量的三维检测系统研究

提出了一种复杂形面的三维检测系统－－交叉光轴投影光栅系统。该系统结构简单，方便实用。本文详细论述了该系统的相位测量原理，物理面形与所求相位之间的关系。最后给出了基于该系统的实际测量结果，并分析了误差。     

基于变窗口浮动阈值的调制结构光三维测量方法

为了解决结构光三维测量中深度信息的准确提取问题,提出了基于变窗口浮动阈值的调制结构光三维测量方法.该方法根据调制结构光相位信息得到被测物体的深度信息,分析条纹图像灰度输出信息与条纹轮廓之间的关系,对每一像素点灰度值在选定窗口内建立周期函数,并对其在整个图像域内进行周期延拓,利用窗口内灰度的极值构造新的权函数,并以此权函数为依据对不同点分配权值,使窗口内各点灰度满足单调性,从而得到不同的选定阈值.实验结果表明,应用这种变窗口浮动阈值法可以得到很好的分割效果,用于沟槽槽深调制结构光三维测量时,标定后其测量结果的重复性优于0.4μm.     

光栅投影轮廓术的精度分析及应用

介绍了彩色面结构光栅投影轮廓术的基本原理,该原理在投影光栅方面采用正弦编码的投影光栅,这样可以采用快速的直接光栅条纹解调的方法,实现了对被测物体单视角数据的测量,并对标准台阶进行了测量.分析了测量过程中存在的误差及其产生的原因;并针对各种误差提出了相应的改进或克服方法;最后,使用该方法对具有复杂自由曲面的脚型进行了测量,实验结果表明:该方法能够快速,准确地获取被测物体的三维数据.     

一种提高光栅投影轮廓术精度的方法

在光栅投影三维轮廓术中,直接条纹位移分析法存在着垂直条纹方向分辨率低的缺点。在分析产生低分辨率原因的基础上,提出移物法,该方法通过多次移动物体来提高测量的采样精度。测量结果表明,在不提高对光栅投影系统的要求的情况下,对物体移动N次分别进行测量,每次移动的距离为条纹宽度的1/(N 1),这样就可以使得测量精度提高N倍。