基于条纹投影的光学三维测量方法被广泛应用于医疗诊断、工业检测等各行各业中。计算莫尔轮廓术因具有高精度, 实时测量能力, 且对物体表面反射率不敏感等优点在条纹投影测量轮廓术中占有重要地位。近些年来, 许多基于计算莫尔轮廓术的衍生方法被提出, 它们不仅实现了测量精度、测量速度的进一步提高, 同时也在增强测量不同物体的适应能力。概述了计算莫尔轮廓术基本理论及其衍生方法, 并分析了它们的特点, 明确了计算莫尔轮廓术的发展动态。

提出一种数字投影仪性能最大化计算莫尔轮廓术。为了满足动态测量的需要, 利用数字投影仪的最大化刷新帧率和最高条纹频率设计, 将二元编码条纹代替传统的8 bit数值正弦条纹使投影仪刷新率由传统60 Hz提高到数千Hz以上。通过编码满足抽样定理的最小周期二元条纹, 利用数字投影仪的最优投影帧率性能, 即可以在数字投影仪上实现投影条纹的最小等效波长, 也可以实现计算莫尔条纹的优化提纯, 进而从源头上有效提高计算莫尔轮廓术(CGMP)的测量精度。通过与傅里叶变换轮廓术(FTP)和高精度计算莫尔轮廓术(HCGMP)的对比实验验证了该方法的可行性和有效性, 表明所提方法具有较高的测量精度, 通过在线运动“心型”物体的测量表明所提方法可以满足在线和动态三维测量需要。

条纹投影轮廓术在测量高反光物体时表面会出现过度曝光的现象, 致使对应区域的相位数据缺失。提出一种高反光物体直线运动的三维测量方法。仅向高反光物体投影一帧固定光栅, 随着物体在投影区域直线运动, 采集两帧高反光区域不重合位置的变形条纹图像。随后, 通过所提的具有单帧特性的计算莫尔轮廓术分别从这两帧变形条纹图像中进行物体在这两个位置的初步三维重建。最后, 通过像素匹配、点云配准与融合获得物体完整三维重建。该方法在不增加额外设备的条件下, 只用一帧光栅, 实现了比传统单目自适应条纹投影算法更高的精度, 提高了测量的实用性。实验结果证明该方法的可行性和有效性。

随着工业自动化程度的提高, 工件在线实时测量的需求越来越大, 将待测工件与标准工件的三维形貌进行差异性检测, 从而实现快速合格产品的筛选具有重要的研究意义。传统的差异性检测方法通常采用反向条纹技术, 它是通过摄像机与投影仪之间的坐标对应关系, 投射到标准工件上的条纹成直线分布, 当待测工件放置在同一位置时, 直接由直条纹的变形量直观反映出待测工件与标准工件的差异性。提出了一种实时计算莫尔轮廓术对工件进行差异性检测的方法。采用计算莫尔轮廓术的单帧采集特性, 仅需计算截断相位并建立差异性评价函数模型, 用评价函数的大小直接反应差异性特征, 通过评价函数的最值点来跟踪标准工件与待测工件的对准点, 从而实现二者差异性的精准检测, 并且在差异性检测的过程中已经保存了采集的条纹数据信息, 可以直接在对准处进行即时的三维重建, 实验结果验证了所提方法在三维差异性检测中的可行性。

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。

人体内不同白细胞的数值水平是疾病判断的重要依据之一。在白细胞计数中, 准确分割白细胞是后续分类计数的重要前提步骤, 决定了后续分类计数的准确与否。对于使用各种不同染色方法所得的血液涂片图像, 都可以通过颜色校准, 分别调整RGB图像的R、G、B分量, 改变图像的色彩信息, 接着通过图像HSI颜色空间中的H分量, 结合Otsu自动阈值法和面积阈值法对图像进行分割、处理, 最终准确定位、分割提取出整个白细胞, 用于后续的分类计数。实验结果表明, 该方法分割准确度高、实用性强、操作简单并且效率高。

提出了一种基于单帧采集的相移测量轮廓术(Phase Shift Profilometry, PSP), 该方法保留了传统相移测量轮廓术的相移特性和高精度的特点, 同时又能在实时测量的时候仅采集单帧变形条纹。在传统的N步相移测量轮廓术中, 需要投影N(N>2)帧相移正弦光栅, 并采集N帧变形相移条纹, 而且随着N值增大测量精度更高。所提方法只需要投影一帧正弦光栅, 并采集一帧变形条纹, 同时对相移步数的提高可以让测量精度随之变高, 而且在静态测量和实时三维测量中都可以保证单帧采集的特征。此外, 该方法的数学模型与传统PSP的相比更加简洁, 得到的包裹相位仅与物体本身的高度有关, 无需对参考平面和被测物体分别进行相位运算和解调。相比于其他单帧测量方法精度更高, 有效地避免了对变形条纹频谱直接滤波带来的频谱缺失, 或者是其他基于PSP的实时测量的颜色混叠、动态范围受限的问题。仿真和实验结果表明了该方法的可行性和有效性。

人体外周血五类白细胞数量和所占比例反映了人体的健康状态, 人工检查白细胞消耗医务人员的大量精力, 如何用智能方法快速、准确进行白细胞智能分类是一个亟待解决的问题, 其中白细胞分割的准确性是正确分类的关键。提出了一种改进的迭代阈值图像分割算法, 对恢复有丝分裂连线的最小距离方法进行了基于数学和数模分析的预处理改良, 提升了白细胞图像分割的精度和效率, 解决了血小板粘连、白细胞边界不分明等问题。将白细胞从复杂的血液环境中分离出来, 对有丝分裂细胞的多叶核进行最小距离判定并连线, 然后定位到每个白细胞, 制作数据集, 最后用CNN分类。经测试, 分割正确率达到了96%以上。实验结果验证了所提分割方法的准确性、高效性和实用性。

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。

传统基于正弦光栅相位测量轮廓术中, 相位因反正切运算而被截断在(-π, π］之间, 需要利用菱形等相对相位展开算法进行展开, 容易产生相位误差累计, 甚至无法展开相位; 或者利用投影辅助格雷码等额外结构光场来确定条纹级次, 避免相位误差累计, 实现相位的展开。提出了一种基于二元光栅特征提取的相位展开方法。通过投影一组相移二元光栅来实现三维测量, 既避免了投影仪伽玛非线性对三维测量的影响, 又将投影系统的刷新频率提高一个数量级, 同时利用二元光栅本身的图像特性, 在不增加辅助结构光场投影的前提下, 自定条纹级次, 从而将自定的条纹级次相位与截断相位相加, 实现展开相位, 有效避免了相位误差的累计。实验验证了所提方法的可行性和有效性, 解相结果与未发生累计误差的菱形算法解相结果具有很好的吻合效果。