几种时间相位展开方法的比较

相位场的展开是基于结构光投影光学三维面形测量方法的关键步骤,复杂相位场的展开也是该方法面临的主要问题之一,时间相位展开方法提供了解决这一难题的一种有效手段.时间相位展开方法利用从多套不同频率条纹图中调解得到的三维截断相位分布,沿时间轴方向上将每点的相位进行独立展开,可以避免二维截断相位图展开过程中引入的误差扩散问题.本文对比了负指数时间相位展开法、三频时间相位展开法、三频外差时间相位展开法以及一次外差时间相位展开法,并引入分块拟合的方法来得到更准确的相位计算结果.完成了计算机模拟和实验验证,标准平面测量时,采用分段拟和的相位误差远小于以前采用的全场拟和法.

采用时间相位展开的高度坐标校准方法

在相位测量轮廓术中,需要建立空间相位分布和高度坐标之间的映射关系,这一过程又称为系统校准。本文提出了一种基于时间相位展开的高度坐标校准方法。对于模块校准过程中虚拟平面的连续相位分布的恢复以及它们之间准确相对位置的恢复问题,采用了负指数序列的时间相位展开。该方法具有过程简单的特点,对平面校准的标准偏差为0.20mm。实验结果证明了该校准方法的有效性和可行性。

基于时间相位展开算法的相位测量轮廓术

为了拓广结构光测量技术的应用领域,克服被测物体表面不连续变化的情况,对传统的PMP测量进行了改进,对时间相位展开算法与空间相位展开算法进行了比较,并通过试验结果证明了时间相位展开的优越性。试验中测量范围为400 mm×400 mm×200 mm,被测物体选择了平面、圆柱和鼠标3种。试验中借助图像处理技术,提高了测量的精度。测量系统仍处于试验阶段,在系统结构标定方面的精度还有待提高。

基于HSI空间多阶灰度格雷码解码的时间相位展开方法

格雷编码法以其鲁棒性和抗噪性被广泛应用于结构光投影的三维重建中。为了将格雷码应用到实时测量当中,使用多灰度格雷码以减少投影幅数,提高测量效率。然而在以彩色物体为对象进行三维测量的过程中,由于不同颜色部分的反射率存在差异,导致三维重建中的条纹顺序混乱,而多阶灰度也使色度导致的误差大大增加。为了适应彩色物体的三维实时测量,提高抗色彩干扰的特性,提出了一种基于HSI彩色空间的多级灰度码解调方法。采用HSI空间中的强度I代替RGB空间中的灰度进行多级灰度编码解码和条纹阶提取,同时也可以重构出物体表面的颜色纹理,而无需单独投影捕获额外的白光图。实验结果表明,该方法可以有效地纠正彩色物体由于色度引起的级次纠缠,减少级次误差。在彩色纹理物体的实时三维测量中具有广阔的应用前景。

基于N元正弦码元的时间相位展开

提出了一种N元编码时间相位展开方法来实现彩色复杂物体的三维测量。传统的阶梯状条纹在测量整个表面反射率范围较大的物体时,条纹数量过多会导致量化困难。利用从相移条纹中提取的N元正弦码元替换传统的量化灰度码元,通过进制转换将N元正弦码元嵌入到所要投影的条纹中来实现条纹级次的编码。在解码时,先通过编码条纹与N步正弦相移条纹的差异逐点计算N元量化条纹,再根据对应的逆进制转换获取唯一的条纹级次,最后利用截断相位消除条纹级次边缘处的错位误差。实验结果表明,相比传统的时间相位展开方法,所提方法有效提高了编码效率,并在测量彩色复杂场景时表现出了较高的鲁棒性。

时间相位展开的误差分析与算法设计

时间相位展开方法投射一系列不同频率的条纹图到物体表面,然后将每点的相位在时间序列上独立进行展开,从而避免了误差的扩散,在近年来得到了很好的发展.本文对时间相位展开方法的效率、可靠性和精度之间的关系进行了研究和分析,并针对三种典型的时间相位展开方法:负指数拟合法,三频展开法和外差法,在上述三个方面作了定量计算和比较.根据几种方法的特点,提出了结合三频展开法和外差法优点的算法设计方法——三频外差法.计算机仿真和实验表明,该方法在仅使用三频条纹图的情况下,可以达到较高的可靠度和精度,应用前景比较好.

一种时间相位展开算法

时间相位展开是使光栅条纹的频率随着时间而变化,每一像素点的相位沿着时间轴进行相位展开.现有的时间相位展开算法主要有线性、拟合线性、拟合指数、拟合负指数、拟合简约等时间相位展开算法;提出了一种减少投影帧数的方法.该方法只需投影三套不同频率的条纹,极大降低了数据的获取量和数据的处理时间;同时,在一定条件下不会降低测量精度.还对其高精度测量范围从理论和模拟两个方面进行了讨论,并将相同情况下该算法与其它算法恢复结果进行比较.

基于深度学习的结构光包裹相位展开算法

针对传统编码结构光多频时间相位展开算法在实际三维测量中,由于不可忽略的噪声和其他误差源所导致的条纹阶次错误,严重影响三维测量精度的现象,提出一种基于深度学习的多频绝对相位展开算法。通过复杂曲面模型三维重建实验验证了该算法的可行性,实验结果表明在不同程度高斯噪声影响下,该算法三维重建结果相较于传统多频外差算法测量精度更高。

一种可以同步结合时间相位展开的2+1相移算法

传统的2+1相移算法在抑制运动误差方面具有良好的性能。针对在展开传统2+1相移算法的截断相位时常有相位展开错误的问题,提出了一种可同步结合时间相位展开的2+1相移算法。该算法中,在传统2+1相移算法的基础上增加了一帧低频辅助正弦光栅条纹,然后结合希尔伯特变换计算出该低频变形条纹的截断相位,之后利用几何约束法对该截断相位进行相位展开,最后利用上述的展开相位指导2+1算法中截断相位的展开。实验结果表明,该算法能够成功地恢复出具有大尺寸深度和复杂面形物体的相位信息,同时,具有较高的测量精度和较快的测量速度。

相位测量偏折术中的优化相移方法研究

在相位测量偏折术(PMD)中,常用三频时间相位技术获取高精度的绝对相位分布,再考虑到需要分别获取水平和垂直相位分布,因此所需图像通常较多,使得测量时间较长。提出对原三频方法进行优化,将原所需的2×3×N(N表示相移步数)幅图,减少为2×(N+2+2)幅图,通过对高频条纹采用N帧相移算法,保证最终测量相位的精度,将另外两种频率条纹采用2帧相移算法,可显著减少整个测量所需图像,从而有效地缩短测量时长。模拟和实验验证了所提方法的可行性,本方法同样适用于三频时间相位展开技术的其他应用中。

基于光栅相位偏折的高反射曲面三维形貌测量

针对高反射曲面零件的三维形貌测量,提出基于迭代的光栅相位偏折测量方法,通过建立相位偏折信息与工件表面梯度和高度的对应关系,采用结合区域波前重构和路径积分的三维重建算法,由梯度恢复被测工件表面形貌。实验结果表明,该方法可实现对大面形或曲率较大的高反射曲面三维形貌的测量,测量范围达到150 mm×150 mm×20 mm,测量精度约为40μm。

基于双频横向剪切干涉系统的三维形貌测量

近年来,结构光投影三维成像技术被广泛地应用至各个领域。该技术通常采用投影仪投影条纹,导致投影条纹的空间周期和精度有限,且在测量微小视场时会存在条纹强度不均匀、条纹焦面景深不够等问题。为解决该类问题,基于剪切干涉条纹的高空间分辨率优势,提出了一种利用横向剪切干涉条纹测量物体三维形貌的系统和方法。该系统利用激光波前以不同角度入射平行平板会产生不同频率干涉条纹这一性质,旋转平行平板改变剪切干涉条纹频率,利用低频条纹指导展开高频条纹相位。同时利用干涉条纹的入射角度与形变量内在联系,通过几何关系获得相位与高度的映射关系,以达到重建物体三维形貌信息的目的。实验验证了该系统及方法的可行性,证明了其对测量微小物体或视场有着明显的应用价值。

基于希尔伯特变换的三频三步相移结构光三维重建方法

在光学三维重建技术中,当投影仪以恒定的投影速率工作时,减少投影条纹图案的数量是减少投影时间的有效方法。为了提高物体形貌的三维重建的速度,我们提出了基于希尔伯特变换的三频三步相移结构光三维重建方法。我们对最高频率的条纹投影三个条纹图案,条纹之间的相移设计为3π/2,其余两个频率的条纹分别投影一个条纹图案。利用其余两个频率的投影的条纹和背景光强图像获取余弦分量,希尔伯特变换将余弦分量与冲击响应进行卷积,在频率和幅度保持不变的前提下将相位移动π/2。为了提高该方法的准确性和鲁棒性,我们采用了三频外差法来进行相位展开。实验结果表明:该方法在对高精度标准球重建时精度为0.0399 mm,重建精度较高。投影条纹图片由传统的9幅缩减到了5幅,提高了投影效率。

基于相移原理的便携式岩石三维形貌测量系统

针对岩石表面形貌复杂的特点和测量精度高的要求,提出了一种基于数字光栅相移原理的便携式岩石三维测量技术,该技术由相位移法、外差原理和相位高度映射三部分组成.相位移法和外差原理相结合能够自动完成相位展开,同时保持相移法原有的相位求解精度;然后根据相位展开后的相位图,利用相位高度映射算法来完成岩石的三维形貌测量.利用基于多频外差原理的三维测量技术建立了一套三维测量系统,该系统由一个CCD摄像机和一个数字光栅投影器组成.利用上述系统对一块岩石进行了测量实验,结果表明:该系统能够准确地完成岩石测量.

双四步路径相移均值法

在光栅投影三维表面测量系统中,光学仪器的伽玛非线性和随机噪声是影响相位展开精度的两个主要因素。双三步相移法具有同时降低这两类误差的独特优势,但仍然存在非线性误差较大且相位测量精度较低两个方面的问题。针对以上问题,提出了双四步路径相移法,首先将双三步相移法中对齐平均的思想应用于四步相移法,以降低非线性误差对测量精度的影响;进而提出了相位域空间变换多频外差方法,以利用所有测量相位进行相位平均,进一步降低随机误差的影响,提高测量精度。实验结果表明,该算法能够有效地提高相位展开的精度,具有更强的适应性。

结构光周期图案的统一解码方法

针对结构光解码问题,在传统相位测量轮廓术(PMP)理论的基础上,提出一种结构光周期图案的统一解码方法。通过把经典PMP的相位计算公式运用到任何周期波图案中,比如三角波、锯齿波、方波图案等,通过多频时间相位展开算法实现了对包含高频率的图案的相位展开。实验结果表明,提出的方法达到了相对高的精度,验证了此方法的有效性。

结构光投影测量中物体不连续处误差分析

本文分析了基于结构光投影的不连续物体测量中CCD采样引入的相位误差,并提出了鉴别错误相位点的方法。在物体表面不连续处,由于CCD采样的影响相位测量将出现较大的误差。本文从相位、高度和等效波长的关系出发,将相位看作矢量辐角,发现在物体表面不连续区域处CCD的采样使得相位测量值与等效波长呈非线性关系,从而降低了测量精度,甚至出现错误测量结果。本文引入时间相位展开(TPU)用来鉴别这些错误相位。文中给出了理论分析和实验,结果证明分析的正确性和鉴别方法的可行性,可以为减小CCD采样导致的局部误差提供分析依据。

基于三频相移的结构光测量系统

基于相移结构光的测量系统在逆向工程等领域得到了广泛应用。传统格雷码与四步相移结合的光栅透射方式,因为相位解包裹算法会引起相位周期性突变,边缘效果差;采用七频的多频外差光栅透射,基于单点相位解包裹避免了相位周期性突变,缺需要采集更多的图片。针对以上问题研究了基于三频相移的结构光测量方式,在投射尽量少的光栅图同时,进行单点解相位。实验验证,该系统可以完成复杂面型测量并且获得高精度点云数据。

利用三频外差实现的小视场三维测量系统

搭建了一套小视场的三维面形测量系统。该测量系统采用基于DLP4500芯片开发的高速数字投影模块套件实现条纹图像的高速投影和相机的同步触发图像采集。利用该投影模块向小视场物体表面投影三种不同频率的相移条纹图,相机同步记录受到物体表面形貌调制而发生形变的条纹,分别计算出三组条纹对应的截断相位图,再进行两次外差得到频率为1的相位分布,以此为基准往回展开得到连续的相位分布,从而重建被测物体的三维面形分布。实验成功重建了以硬币为代表的小视场(8 mm×6 mm)物体在100μm深度范围内的表面三维形貌。

基于三维傅里叶变换的胸腹表面测量

鉴于人体胸腹表面三维运动测量在精确放疗等医学领域中的重要应用背景,提出一种三维傅里叶条纹分析与三频时间相位展开相结合的三维傅里叶变换胸腹表面测量方法。投射一幅不同频率三原色余弦条纹组成的图案,每采集一幅图像就能实现相应时刻胸腹表面的三维形状测量;将动态条纹图像序列作为一个三维序列整体,通过三维傅里叶变换并结合三维高斯滤波器提取折叠相位。无干扰时其均方根误差不超过0.005rad,峰谷值误差不超过0.015rad,其抗干扰能力高于二维傅里叶条纹分析和其他胸腹表面三维傅里叶条纹分析方法;通过三频时间相位展开方法进行折叠相位展开,在限定条件下绝对相位的误差不超过折叠相位的误差。理论分析和实验结果表明,本文方法能实现人体胸腹表面的三维动态测量。