1 天津工业大学人工智能学院，天津 300387
2 天津工业大学控制科学与工程学院，天津 300387
为克服传统质量导向相位展开方法无法正确展开多孤立物体的局限性，提出一种基于区域分割的立体质量导向相位展开方法。该方法将包裹相位分割为多个区域，并为每个孤立区域通过立体匹配算法确立左右相机多视图相位展开初始点，通过质量导向相位展开算法实现多视图孤立物体相位展开。进一步提出了基于区域双目立体展开相位匹配的单频条纹结构光三维（3D）测量，实现了单个频率包裹相位下的多孤立物体3D重建。实验结果表明，所提方法可以实现多孤立物体运动状态的3D重建，在四步相移和单幅条纹图条件下重建标准球的直径平均绝对值偏差分别为0.0135 mm和0.0347 mm。
三维重建 质量导向 结构光 立体匹配 相位展开 激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1011006
针对非远心结构光投影测量系统中单帧空间相位检测方法（SPD）存在的虚拟光栅频率与条纹载频失配问题，提出了一种新的解调频率获取方法。利用系统标定过程中预先获取的参考光栅在极值处的频率值拟合出频率函数，使得设计的虚拟光栅能与条纹载频更好匹配，将有用的相位信息准确移动到零频位置。此外，利用分段希尔伯特（Hilbert）变换消除了条纹背景对测量的影响，理论将单帧 SPD 方法的测量范围提高了近 2 倍；条纹背景信息的消除也放宽了 SPD 方法对低通滤波器带宽的限制，可提取更多的物面细节信息提高测量精度。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。结果表明，移除条纹背景后，单帧 SPD方法重建面形的最大误差减少了近一半。该方法对基于结构光投影的空间快速 3D 检测具有参考价值。
结构光投影 空间相位检测 分段希尔伯特变换 空域滤波 相位计算 structured light illumination spatial phase detection piecewise hilbert transform spatial filtering phase calculation
暨南大学光子技术研究院广东省光纤传感与通讯重点实验室，广东 广州 511443
传统斯格明子是一种在核物理和磁性材料中均已被证明具有拓扑稳定性的准粒子，可应用于逻辑器件、晶体管、量子计算等领域。近年来，光学斯格明子被人们所提出，并引起了拓扑光学与光场调控领域研究者们的广泛兴趣。综述了当前光学斯格明子的研究进展，详细介绍了光学斯格明子的拓扑结构分类、不同矢量构型光学斯格明子的产生与调控，并对其潜在应用进行了展望，为本领域进一步快速发展提供了参考。
物理光学 斯格明子 拓扑光学 结构光场调控 光学学报
2024, 44(10): 1026005
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 精密仪器与装备研发中心，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了实现对微小物体的高精度三维测量，本文构建了一套基于结构光照明的三维形貌测量系统，对该系统所使用的相位编码算法、远心相机标定算法和投影仪标定算法进行了研究。首先，通过边缘提取算法获得二维平面标靶的特征点坐标，使用改进的张氏标定算法完成远心相机标定，通过相位编码结构光得到相机像素与投影仪像素之间的映射关系。然后，由映射关系使投影仪也能捕获特征点的位置信息，进而完成投影仪标定。最后，基于立体视觉模型对被测物体进行三维重建。实验结果表明，标定后的测量系统视场大于2 000 mm2，全视场的测量精度约为32 μm，中心视场的测量精度为10 μm。该系统具有良好的稳定性和重复性，能够满足大多数工业检测的应用需求，展示出广阔的应用前景。
结构光 三维测量 远心镜头 高精度 structured light three-dimensional measurement telecentric lens high precision
1 浙江师范大学物理与电子信息工程学院，浙江 金华 321004
2 浙江省光信息检测与显示技术研究重点实验室，浙江 金华 321004
提出一种环形相位构造方法，并通过实验产生了一种可调谐手性结构光场。在螺旋相位的基础上引入径向相位与等相相位形成环形子相位，在平面波上加载该相位产生单环手性结构光场。进一步利用相位叠加原理，组合多个不同环形子相位构成一个环形相位，进而利用其调控产生多环形手性结构光场。研究发现，通过控制拓扑荷数、等相位因子、径向偏移因子，能够灵活控制螺旋强度瓣叶的数量以及手性方向。此外，通过引入等相位梯度实现了光场的动态旋转。所构建的可调谐手性结构光场有益于手性结构微加工，在光学微操纵及光学通信领域也有较大的潜在应用价值。
物理光学 光场调控 相位调制 结构光场 手性光场
1 武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081
2 武汉科技大学机器人与智能系统研究院，湖北 武汉 430081
德布鲁因序列常被用于结构光条纹的编码，但是序列中相邻的相同码元会导致在相同颜色区域内难以确定码元个数以及每个码元的确切编码范围。为了解决这一问题，提出一种邻接跳变德布鲁因序列，该序列在保留子序列唯一性的基础上保证了相邻码元的相异性。首先，证明了所提出序列的存在性，并给出了其生成方式。然后，将该序列用于相位周期级次编码，结合正弦相移条纹设计了一种彩色条纹编码方法。在解码阶段，按颜色通道分别提取、计算得到包裹相位和相位周期级次，最终获得展开相位。实验结果表明，所提方法与传统相移法有相似的测量精度，且仅需要4幅投影图像即可完成三维测量，显著提高了测量效率。
测量 德布鲁因序列 结构光 相移测量
1 新疆大学 机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830046
2 西安交通大学 机械工程学院 机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西 西安 710049
3 新拓三维技术（西安）有限公司 创新实验室, 陕西 西安 710086
小尺寸零件的表面积小、结构复杂，传统标志点拼接方法需要在零件表面人工粘贴标志点，导致表面的测量数据缺失出现孔洞。基于特征的点云拼接方法要求零件表面具有易区分的几何或距离特征，不适用于包含重复性特征的回转体零件。本文提出一种基于机械拼接的无标志点扫描测量方法，不需要粘贴标志点，不依赖于零件表面特征。首先，采用基于摄影测量的相机标定方法得到相机的高精度内外参数，重建标定板上靶点的高精度三维坐标，接着通过跟踪编码靶点的位置建立转台不同转角对应的旋转矩阵，进而解算出转轴方向向量和轴上定点坐标，实现转轴和相机的同步标定。在完成两个转轴位姿精确标定的基础上，利用转台转角构建旋转拼接矩阵，实现多视角点云粗配准。最后，基于法向迭代最近点算法(Normal Iterative Closest Point, NICP)完成点云的精配准。实验结果表明：使用靶点跟踪法标定后的两转轴夹角误差较传统的标准球拟合法低0.023°，标定后测量标准球的整体平均尺寸误差小于0.012 mm；在小尺寸零件自动化测量时，机械拼接方法在精配准后的点云拼接效果与标志点拼接方法相近，且拼接稳定性更高。机械拼接方法适用于无法粘贴标记点的小尺寸零件三维形貌测量场景。
结构光 机械拼接 小尺寸零件 转轴标定 NICP算法 structured light mechanical splicing small-size parts axis calibration NICP algorithm
1 太原科技大学机械工程学院，山西 太原 030024
2 太原科技大学重载装备作业智能化技术与系统山西省重点实验室，山西 太原 030024
线结构光测量技术被广泛应用于工业检测领域，而激光条纹中心提取质量直接影响线结构光的测量精度。针对现有算法在曲率变化较大或干扰严重工况下条纹中心提取效果较差的问题，提出了一种基于单边跟踪与中点预测的中心提取算法。首先根据激光条纹灰度和走向对其进行单边跟踪，同时结合灰度重心法和最小二乘法预测初始中心点坐标，然后利用初始中心点邻近像素差分构建Hessian矩阵，计算最终中心点坐标。实验结果表明：该算法的处理速度是几何中心法的3.96倍、测量精度是Steger法的2.06倍，在信噪比为8.52 dB且激光条纹与噪声相连的严重干扰情况下，提取精度是Steger法的5.76倍。所提算法在保证速度和精度的同时，具有较好的抗干扰性和适用性，对于条纹质量较差的工业检测具有一定意义。
测量 中心提取 单边跟踪 中点预测 差分 线结构光
针对轨道扣件表面结构复杂导致的线结构光照射分布不均匀问题，研究了一种基于改进灰度重心法的光条中心线提取方法，精准重构了轨道扣件点云模型。基于点云模型提取了轨道扣件的结构特征信息，建立了轨道扣件缺陷检测组合分类器模型，实现了轨道扣件的弹条缺失、扣件歪斜、螺母缺失等缺陷检测。研究了基于表面法向量的螺母上平面解析方法，通过螺母松动测量实验实现了轨道扣件的松动检测。搭建了扣件故障诊断实验平台并开展了相关实验研究，实验结果表明，系统扣件故障检出率达到96%，扣件松紧度测量的总体误差低于0.2 mm，扣件故障诊断系统的检测效果和鲁棒性较好，对列车安全运行具有重要的现实意义。
测量 三维图像处理 轨道扣件 线结构光 中心线提取 故障诊断
