基于时间相位解包裹的条纹投影三维测量方法研究

条纹投影三维测量的若干关键技术的研究三维测量技术是一种关键的机器视觉技术,它在逆向工程、图像识别、人工智能、虚拟现实以及生物医学等方面都有着重要的应用。

其中传统的接触式三维测量存在测量耗时长、弹性材料测量受限等缺点,因此无法满足工业生产的需要。

条纹投影的三维测量技术是一种非接触式的方法,这种测量技术具有效率高、测量准确的优点,因此成为了三维测量领域研究的热点。

本文针对条纹投影中的一些关键技术展开研究,比如基于相位匹配的多传感器三维测量系统、大视场的三维测量系统以及3D点云配准等若干关键技术,并对这些技术进行了分析和总结,本文的主要内容如下:1.介绍了条纹投影三维测量技术的基本原理以及国内外研究现状,阐述了PMP(相位测量轮廓术)、格雷编码、摄像机成像模型,以及对获取到的3D点云数据处理的基本方法。

2.由于单传感器测量范围的限制,多传感器测量系统逐渐成为获取物体完整3D面型的重要的方法。

然而,传统的多传感器测量系统,它们相互之间的系统标定是分开的,整个测量系统的标定耗时长、操作复杂,不能满足现场标定的需求。

针对传统方法的不足,本文提出了一种基于相位传递的多传感器测量系统,每套测量系统的标定相互关联,并且在完成整个系统标定后,每套测量系统获得的3D点云数据无需再次配准,自动转化到统一的坐标系下,实现3D点云的全局配准。

3.为了能够满足大视场三维场景的测量需求,我们设计了两套三维数据采集系统,第一套采用了一种线结构光旋转扫描的方法来获取室内环境的3D点云数据,该系统能够实现360度场景的测量,但是测量速度慢、效率低。

第二套则是利用鱼眼镜头具有宽视场角和大景深的优势,来实现双目立体视觉的大视场三维测量,但是由于镜头本身的特性,基于小孔成像模型的双目立体视觉3D测量方法不再适用于鱼眼镜头模型。

因此,本文提出了一种基于球面模型的双目立体视觉测量系统,将测量物体的所在的世界坐标直接地转化到单位球面坐标系,由于采用球面模型代替了平面透视投影模型,因此测量系统的FOV(视场角)不再受限。

条纹投影相移三维形貌测量技术
 近日，中国科技网·科技日报，中国新闻网等媒体报道合肥工业大学仪器科学与光电工程学院卢荣胜教授科研团队提出了一种全新的反向误差补偿方法，实现了物体三维形貌测量的精度和效率的大幅提升，成果刊发于日前出版的权威学术期刊《光学学报》第四期上，并入选当期封面故事和优秀论文。

 条纹投影相移三维形貌测量技术，主要使用数字投影仪将条纹投射至被测物体表面，经图像传感器采集被物体调制的条纹图像后获取每个像素组成的主值（包裹）相位图和解包裹相位图，计算获得被测物体的三维形貌信息。

目前普遍采用的主动、被动和反向三种相位误差补偿方法，各自存在着精度仍受系统参数、标定方法和使用环境影响等不足。

测量过程中易发生相位解包裹困难、测量精度降低、物体形貌的细节被掩盖或信息丢失等情况。

 科研人员研究发现，在向被测物体投影与最高频率相同且具有一定相移量的补偿相移条纹时，获得的两幅主值相位图中相位误差存在大小相等、方向。

基于时空条纹图法的相位提取技术及其应用研究近30年来,伴随着电子工业和计算机技术的飞速发展,条纹图相位提取技术被广泛应用于激光干涉测量、结构光面形测量等检测设备中。

然而,随着被测件种类的增加以及应用场合的扩大,这些设备在硬件更新的同时对算法的相位提取能力也提出了要求。

时空条纹图(Spatio-temporal fringes,STF)法是近年来提出的一种相位提取技术,该技术将N步移相条纹图通过交叠重构的排列方式重组为一幅新的条纹图,重组条纹图同时包含了空域相位信息和时域移相信息,因此被称为STF图,通过此STF图便可求取原始移相条纹图相位。

本文主要工作是研究STF图法相位提取技术的优点,分析其局限性并提出相应的改进算法,使其能够应对条纹图相位提取过程中所面临的随机噪声、谐波噪声和移相误差等多种干扰问题。

研究了 STF图法相位提取技术在随机噪声抑制以及谐波抑制方面的特性,得到用于构建STF图的移相条纹图数目越多,其谐波抑制能力越强的结论。

将该技术应用到相位偏折术测量中,消除了相位复原结果中的随机噪声。

将加窗傅里叶变换技术引入到STF图法相位提取过程中,使得测量精度提高了 2～3倍。

另外,针对多数条纹图并非标准矩形而导致边缘处相位复原结果误差较大的现象(边缘效应),研究了基于二维傅里叶变换迭代和基于样本块的条纹图延拓技术。

其中,针对二维傅里叶变换迭代条纹图延拓时运算效率低的问题,提出了一种改变滤波窗口大小的解决方案,使得迭代效率提升近10倍。

提出了一种改进的STF(Advanced spatio-temporal fringes,ASTF)图法相位提取技术。

该技术将移相条纹图本身的线性载频量作为一个参数添加到移相条纹图的移相步进量中。

改进方法在处理含有线性载频的移相条纹图时,能够消除按传统方法构建的STF图频谱中信号谱周围的干扰频谱,因此可以选定较宽的滤波窗口来完整地对信号谱进行提取。

研究了ASTF图法的谐波抑制特性,并将此特性应用到条纹投影三维面形测量系统中,有效抑制了系统Gamma效应给相位提取结果带来的干扰。

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条纹投影三维测量原理Stripe projection three-dimensional measurement is a widely used technique in various industries, such as automotive, aerospace, and medical. By projecting a structured light pattern onto an object, this technology can accurately capture its surface shape and measure dimensions in three dimensions. The principle behind stripe projection 3D measurement lies in the triangulation method, where the position of the stripes on the object's surface is analyzed to determine its 3D coordinates. This allows for precise and efficient measurements that are essential for quality control and product development.条纹投影三维测量是各行各业广泛使用的技术，例如汽车、航空航天和医疗。

通过将结构化光模式投射到物体上，这项技术可以准确捕捉其表面形状并在三维上测量尺寸。

条纹投影三维测量的原理在于三角测量方法，通过分析物体表面上条纹的位置来确定其三维坐标。

这种精确而高效的测量对于质量控制和产品开发至关重要。

One of the main advantages of stripe projection 3D measurement is its ability to quickly capture complex surface shapes with highprecision. This is particularly useful in industries where dimensional accuracy is crucial, such as in manufacturing and engineering. The structured light pattern projected onto the object allows for detailed and accurate measurements of even the most intricate geometries. This results in improved product quality and reduced manufacturing errors.条纹投影三维测量的主要优势之一是能够快速捕捉复杂表面形状并具有高精度。