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。     

可调合成波长链绝对距离干涉测量

本文提出一种利用半导体激光器的波长调谐特性实现的可调合成波长链绝对距离干涉测量方法 ,针对不同的待测距离 ,可选择不同的合成波长链 ,完成对待测距离的由粗测到精测的整个过程。文中基于这种方法构建了干涉测量系统 ,该系统利用压电陶瓷调制的在一条直线上的两个双光束干涉仪 ,使待测距离被包含于一个交流信号的相位项中 ,从而使小数条纹的测量转化为相位测量 ,合成波干涉条纹的小数级次由单波长干涉信号的相位测量值计算得到。文中以外尺寸测量为例描述了实验装置 ,实验结果表明 ,在现有的测量系统和实验条件下 ,待测距离小于 5mm时的测量极限偏差优于 2 0μm。     

含孤立物体场景的高速、高密度三维面形采集

提出了一种用于采集含空间孤立物体场景的高速、高密度三维面形采集方法。该方法将三幅图案高速投影到被测物体上并同步采集图像,从而实现场景三维形貌及纹理的高速记录。其中两幅图案是互相具有π相移的正弦条纹,采用傅里叶变换法求解变形条纹相位。将拍摄到的两幅变形条纹图相加可得到物体表面纹理。另一幅图案用来确定条纹级次,实现绝对相位测量,解决高速形貌采集中孤立物体相位展开难题。它由一系列宽度与正弦条纹周期相同的竖条构成,采用三种灰度对竖条编码。每个竖条由单一灰度或两种在竖直方向上周期性分布的灰度构成,这样可编6个码。将竖条按由这些码构成的伪随机序列排列,得到编码图案。测量时,对拍摄的编码图案解码,通过子序列匹配来确定对应正弦条纹的级次。设计了采用DLP投影仪及高速摄像机的高速测量系统。采用提出的方法实现了640×480分辨率下每秒60帧和320×240分辨率下每秒120帧的三维形貌及纹理采集。     

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。     

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。     

虚拟光栅变频投影三维测量技术的研究

虚拟光栅变频投影三维测量技术采用多光束干涉条纹形成虚拟余弦光栅,将虚拟余弦光栅投影到被测物体上得到被物体形貌调制的变形虚拟光栅。通过调整多光束干涉的楔角改变虚拟光栅频率,将两幅不同频率的变形虚拟光栅经过光学接收系统成像在CCD像机上,对CCD像机记录的变频变形光栅图像进行综合处理从而获取被测物体的三位形貌。本文给出了这种测量技术的原理,实验结果表明,采用变频虚拟光栅投影三维形貌测量技术可以有效地解决三维测量中被测物体高度变化率过大引起相位展开困难的问题。     

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。     

一种新的正弦相位调制干涉条纹相位稳定方法

在基于条纹投射的物体表面形貌测量中,温度漂移和振动是造成条纹相位漂移的主要因素。为了稳定条纹相位,在相位补偿系统(PCS)中运用峰值检测简化相位提取过程,发展了一种基于正弦相位调制的干涉条纹相位稳定技术。将光纤缠绕在柱形压电陶瓷(PZT)上,向PZT注入正弦驱动电压实现对干涉条纹相位的正弦相位调制。运用2×2光纤耦合器分光,结合马赫-泽德干涉与杨氏干涉结构实现条纹投射。光电探测器检测两端面反射信号形成的迈克尔逊干涉信号,从中提取环境因素引起的相位漂移,运用旋转坐标数字机进行快速反正弦计算,生成的补偿信号与调制信号叠加后共同驱动PZT,实现条纹相位稳定。实验结果表明,条纹相位稳定精度为5.5 mrad,较好地消除环境因素引起的相位漂移。     

微/纳结构三维形貌高精度测试系统

为实现微/纳结构三维形貌的高精度测量,提出利用显微干涉技术和偏振技术相结合的方法来研制微/纳结构三维形貌亚纳米级精度测试系统.首先,利用五步相移干涉技术采集5幅带有n/2相移增量的干涉条纹图.然后,通过Hadharan五步相移算法得到包裹相位图.最后,利用分割线相位去包裹算法和相位高度关系转换得到微/纳结构三维形貌.在测试过程中通过偏振片产生强度可调的线偏振光,再由1/2波片改变偏振光在分光镜中的分光比,补偿参考镜与试件的反射性能差异,可得到亮度适中且对比度高的干涉条纹图,从而有利于实现微/纳结构三维形貌的高精度测量.系统的轮廓算术平均偏差R_a的重复测量精度可迭0.06 nm,最大示值误差不到±1%,示值变动性不到0.5%.通过对标准多刻线样板、硅微麦克风膜和硅微陀螺仪折叠梁的三维形貌测量验证了系统的有效性和实用性.     

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.