结构光三维测量轮廓技术及快速成型技术在颌面赝复中的应用

目的:应用印模技术取得面部软组织外形信息,容易受患者体位、印模材料等因素影响,为克服其缺陷,尝试采用结构光三维测量轮廓技术结合快速成型技术进行颌面部赝复设计。方法:应用自主研发基于结构光三维测量轮廓技术原理的三维光学测量系统(TDOS),对2007-04上海第九人民医院口腔修复科收治的1名电击伤术后严重面部缺损的患者进行面部外形信息采集。使用Imageware和Geomagic studio图像处理软件,对光学测量系统采集的面部原始外形信息进行去除噪声和平滑处理,并通过软件对面部图像进行拼合及三角化,形成患者面部完整的3D图像模型。该3D模型在逆向工程处理软件中修饰,生成3mm厚度的数字化模型,并以.stl格式保存,最终导入熔融挤压成型的快速成型机,制作全面部树脂模型,与患者面部实际外形、尺寸比较。结果:利用三维光学测量系统采集的面部数字化三维模型形象、完整,得到的面部数据信息经图像处理软件处理后,能生成光顺、清晰的面部CAD模型。该模型经由逆向工程软件修饰并转化格式后能导入熔融挤压成型快速成型机,并成功制作出面部树脂模型,该树脂模型与患者面部实际高度相似。结论:基于结构光三维测量轮廓技术结合快速成型技术,能辅助面部信息采集和模型制作。比较印模技术和其他三维测量方法,它能安全准确地获取面部外形信息并形成实体模型。该方法能辅助颌面部缺损的赝复计划制定和赝复体设计制作,增进医患交流。

基于GPU的结构光三维测量快速计算方法

针对CCD摄像机高分辨率下CPU进行三维测量计算效率低的问题,提出基于GPU技术的快速计算方法。同时针对三维测量的四个具备并行度的过程,该方法给出了在GPU上可实现的具体算法流程,并根据数据规模及GPU特性,设计了一种新的GPU设备端数据结构组织方式。实验结果表明,该方法有效利用了GPU的大规模并行处理能力,在处理500万像素数据过程中整个测量时间仅需4s左右,计算效率是CPU的160倍。

双摄像机结构光三维测量系统自标定方法

针对双摄像机与投影仪结构光三维测量系统的标定问题,提出了极线约束条件下的自标定方法.依据极线约束理论,通过标定物上特征点与对应双摄像机的两个像点确定极线方程,建立了两个摄像机之间的平移和旋转关系矩阵.将多编码周期三角形灰度分布图案投射到标定物,获取特征点在投影仪上对应点的坐标,采用改进8点法建立投影仪与双摄像机关系矩阵的两个估计矩阵,利用对极距离为目标函数进行估计矩阵优化,得到双摄像机和投影仪的参数矩阵.采用该系统对平面和人脸进行了三维测量实验,结果表明平面测量的最大绝对误差不大于1.7 mm,相对误差不大于0.18%,表明了该三维测量系统自标定方法的有效性.

时间编码结构光三维测量的提速策略和硬件方案分析

时间编码结构光技术是一种高精度的三维测技术,有着广阔应用前景。而时间编码结构光技术受限于工作原理,造成该技术的测量速率相对于其它三维测量技术明显不足,耗时较多,也限制了该技术应用于一些动态目标的测量应用。通过分析时间编码结构光测量系统的原理,硬件组成方案和常见硬件性能参数,本文提出了基于硬件方案调整的易于实现的改进策略,该策略可以大幅提升时间编码结构光测量效率,有望拓展时间编码结构光测量技术的应用范围。

基于彩色栅线的结构光动态三维测量技术研究

结构光动态三维测量能够实现运动或者变形物体型面重构。将6色3次伪随机条纹序列的色彩信息溶入亮度呈余弦周期性变化的数字栅线图中,构成彩色栅线空域编码图案。图像解码采用仿视觉过程。在直觉处理阶段,通过亮度峰值与对应的色彩信息来实现周期划分;在专注处理阶段,通过局部亮度变化关系来进行空域解相。实验结果证明,测量系统只需投影单幅图案即可实现物体形貌的三维重构,可满足动态测量的要求,结合亚像素匹配可保证一定的测量精度,能形成多分辨率测量。

相位偏移gamma矫正方法的结构光三维视觉测量技术

为补偿结构光三维测量过程中的非线性gamma误差,提出基于相位偏移的gamma误差矫正算法,对三维结构光视觉测量与重构技术进行了研究.首先,对结构光测量的基本原理和基于正弦条纹光栅的结构光测量方法做了介绍;其次研究了基于相位偏移方法的gamma矫正方法,通过实验对矫正方法的有效性进行了验证;最后通过三维重构实验得到被测量的物体矫正前后的三维重构图像,并且对其进行分析对比.实验结果表明,设计的矫正算法有效降低了三维测量中gamma畸变造成的相位误差的均方根值,提高了测量精度,具有实用价值.

基于间接标定法的结构光视觉检测系统三维测量技术与试验评估

结构光三维测量系统的参数标定是获取三维数据的重要步骤之一,其中包括摄像机的参数标定和结构光平面的参数标定。为了解决传统光平面标定算法复杂、检测实时性低的问题,提出了一种基于定向移动平面标靶的光平面间接标定法,首先利用特征加窗提取技术和形态学细化算法对标靶平面上的光条进行中心线提取,进而获取光条中心线上的图像像素坐标点;其次结合已经标定好的摄像机参数和光平面所在的坐标分量的坐标值反解求出标定特征点的三维世界坐标;最后利用最小二乘法对求得的三维坐标点进行光平面拟合,从而实现对光平面的标定过程。采用Matlab GUI界面编程方法实现对光平面参数标定试验以及三维测量试验,验证了该方法的有效性和优越性。

结构光测量中相机曝光优化与图像质量评估

为了解决结构光三维测量采集过程中无法准确确定曝光量的问题,提出了一种基于相机响应函数求解最优曝光时间的方法。该方法主要通过使用大津法(Otsu)对不同被测物体图像进行背景分割,然后利用相机响应函数求解真实像素值与曝光时间之间的关系,从而得到在理想像素均值下的最优曝光时间。此外,构建了通过计算图像过曝与欠曝像素点的占比与归一化的像素均值等其他基本图像质量评价参数的图像质量评价方法,该方法能够对被测物体图像进行有效评价。实验使用不同曝光时间进行双目结构光三维测量,对比了模型重建中相位匹配点数量与关键特征的测量结果。结果表明:使用最优曝光时间采集被测物,图像评价结果参数均在90%以上;在模型重建过程中相位匹配点数最多,关键特征测量结果准确,与其他测量方法的最大测量误差为0.02 mm;同时被测物图像质量评价结果与相位匹配点数呈正相关,证明了该评价方法的有效性。本研究为结构光三维测量中曝光量的选择提供了科学的依据。

伪随机序列投影三维测量中的快速子序列匹配

提出了一种适用于伪随机序列投影三维测量技术的子序列匹配快速算法.首先根据源序列的内容及子串长度构造由多层子表组成的表格;然后根据子序列的内容,从首字符开始从左到右,依次从首层表格开始向下查找;最后得到子序列在源序列中的位置.即根据首字符在首层表格中查到对应的第二层表格地址,再在第二层表格中根据第二个字符,查找第三层表格地址.以此类推,查出最后一层表格的地址.在最后一层表格中,根据末字符查找到该子序列在源序列中的位置.给出了理论分析并进行了实验验证,结果表明,在目前主流的计算机上,对于典型场景采用查表法的子序列匹配速度较常用算法快60倍以上.

结构光数字微镜投影系统的条纹质量演变

为了提高结构光三维测量技术中相位计算精度,本文从结构光数字微镜投影系统的全响应过程分析,建立了条纹质量的数学评价模型,搭建了以可编程数字微镜投影设备、摄像机、以及计算机为主要组成部分的结构光数字投影系统,研究了正弦条纹的质量演变规律,进行了评价条纹质量的比对实验。实验结果表明:当条纹的周期为80 pixel、调制度为0.40以及相机镜头F数为8时,能够得到对比度趋近于1且基频分量高的高质量正弦条纹。

一种基于RGB多通道的高动态范围三维测量方法

为了测量具有高反射率表面的物体,提出了一种高动态范围三维测量方法,利用彩色相机红(R)、绿(G)、蓝(B)三通道光强不同的特性,融合获取高动态范围(HDR)条纹图片。利用π相移背景归一化傅里叶变换轮廓术去除环境光的干扰,减小物体表面反射率的影响,获取三维形貌。实验表明本方法能有效测量具有高反射率表面的物体。与其他方法相比,本方法投影的条纹较少,测量效率较高。

金属增材制造过程平面度和轮廓度在线测量技术

金属增材制造技术在航空航天、医疗等多个领域得到广泛应用,但仍面临着零件裂纹、空隙和翘曲等很多质量缺陷问题。在早期阶段对成形部分零件进行质量检验,发现成形过程中的缺陷,通过反馈控制调节参数来修复缺陷或者中止加工过程,这是非常有必要的。研究了结构光三维测量技术及相关的一些关键技术,并基于这些技术开发了一种可以用于监测粉末床熔融制造过程的在线测量系统。

3-D profile measurement for complex micro-structures

Micro-structures 3-D profile measurement is an important measurement content for research on micro-machining and characterization of micro-dimension. In this paper,a new method involved 2-D structure template, which guides phase unwrapping,is proposed based on phase-shifting microscopic interferometry.It is fit not only for static measurement, but also for dynamic measurement,especially for motion of MEMS devices.3-D profile of active comb of micro-resonator is obtained by using the method.The theoretic precision in out-of-plane direction is better than 0.5 nm.The in-plane theoretic precision in micro-structures is better than 0.5 μm.But at the edge of micro-structures,it is on the level of micrometer mainly caused by imprecise edge analysis.Finally,its disadvantages and the following development are discussed.

基于频域滤波的高光去除方法

结构光三维测量广泛应用于测量物体外轮廓,但使用这种技术测量金属零部件时,会由于金属表面的局部强反射形成高光区域,这种高光致使相机饱和、信息丢失,造成条纹中心提取不准确,从而产生较大的测量误差。因此,寻找一种有效的手段来避免高光问题是非常必要的。基于结构光测量系统自身的特点,提出一种新的高光去除方法——频域滤波法。该方法将高光视作噪声,通过对比分析漫反射光条和高光光条频谱分布的不同,制作合适的滤波器以滤除高光。通过3dsmax软件仿真,模拟高光效果,测试频域滤波后的条纹中心提取精度比不滤除前提高0.8pixel。将该方法应用于实际叶片测量中,较好地解决了其中的高光问题。仿真和实验均证明,频域滤波法可以在一定程度上降低高光对结构光条纹中心提取准确度的影响。