西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049
精密零部件的高精度三维成像是工业制造和检测的关键任务。针对现有的线激光测量系统效率慢、精度低等问题，提出了利用远心成像的线激光三维测量系统，研究了该系统的标定方法。首先，分别采集不同位置的靶标图像和激光线照射下相同位置的靶标图像，通过远心正交成像标定相机内参矩阵系数和外参位姿关系；然后，建立线激光投影平面与标定目标平面之间的几何关系，求解不同目标平面下的激光线方向矢量，进而通过最小二乘法获得光平面方程；最后，在极大似然准则下，利用Levenberg-Marquard非线性优化算法精确地计算标定参数最优解，搭建了测试系统，开发了专用标定程序。实验结果表明：在60 mm×48 mm的视场下，所设计的系统和方法可以实现优于18 μm的测量误差，能够快速准确地重建出三维形貌。
线激光 远心成像 系统标定 机器视觉 三维传感 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312022
Author Affiliations
Abstract
1 Opto-Electronic Department, Sichuan University, Chengdu 610065, China
2 School of Aeronautics and Astronautics, Sichuan University, Chengdu 610065, China
In this Letter, the periodical errors, which are caused by the nonlinear effect of the commercial projector and camera, are analyzed as a more generic single-coefficient model. The probability density function of the wrapped phase distributions is used as a tool to find the compensation coefficient. When the compensation coefficient is detected, on the premise of ensuring accuracy, a correlation algorithm process is used to replace the traditional iterative process. Therefore, the proposed algorithm improves the efficiency of coefficient detection dramatically. Both computer simulation and experiment show the effectiveness of this method.
nonlinear response phase error probability density function three-dimensional sensing Chinese Optics Letters
2021, 19(10): 101201
1 安徽国防科技职业学院 机械技术学院, 安徽 六安 237000
2 深圳大学 光学工程博士后流动站, 广东 深圳 518000
在传统的条纹投影轮廓术（FPP）重建算法中, 通常倾向于简化校准模型以提高数值稳定性。但是简化后的校准模型难以有效地补偿FPP系统中照相机和投影仪的镜头畸变, 结果不能保证FPP的测量精度。提出了一种两步标定法, 依次执行镜头畸变补偿和系统标定, 通过使用相机和投影仪的标定参数来校正输入变量的值, 实现镜头畸变的有效补偿, 同时给出形式简洁但精度更高的测量模型进行物体三维轮廓重建。实验结果验证了方法的有效性和实用性。
三维轮廓重建 条纹投影 标定 three-dimensional sensing phase measurement calibration
上海大学特种光纤与光接入网重点实验室, 上海 200444
由于成像原理限制,深度相机无法获得非朗伯体高反射面和透明物质的真实深度值,造成模型缺失甚至重建失败。针对特殊表面的三维重建问题,提出一种定位特殊表面并优化位姿追踪的方法。通过累计零深度区和时序一致性约束优化对特殊表面进行定位。对深度数据置信度进行评估,并采用空间、时间两个维度上非平均的位姿计算方法来减小透明物质对位姿计算的影响。实验结果表明,在自然场景中,所提方法能够仅通过消费级相机采集的深度数据完成包含特殊表面的三维模型重建与修复,位姿追踪更加准确,模型精度更高。
机器视觉 三维感知 三维重建 非朗伯体定位 相机位姿优化 光学学报
2020, 40(21): 2115002
红外与激光工程
2020, 49(3): 0303004
上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200444
为了快速实现花瓶等具有回转体性质文物的三维数字化,提出了一种非接触式测量方法,并研制了一套文物数字化三维重建系统,克服了文物三维重建时内腔信息缺失以及纹理畸变的问题。对于内腔,通过光学镜片改变激光测距仪光束的方向,结合转台和导轨的运动来获取文物内腔的点云数据;外形点云由线激光扫描仪结合转台运动来获取;为减小文物纹理的畸变,通过相机搭配远心镜头来获取文物不同转动角度位置的纹理图像,然后把所有角度位置提取的像素依次拼接在一起,形成完整的外形纹理展开图。最后介绍了对系统测量误差进行标定与补偿的方法。实验结果表明:此系统可实现对花瓶类文物的三维数字化,重建精度在0.5 mm以内。可满足在博物馆现场对文物进行快速安全三维数字化的需求。
机器视觉 三维传感 线结构光测量 激光测距仪 内腔重建 文物数字化 激光与光电子学进展
2019, 56(19): 191504
1 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
2 深圳大学光电工程学院教育部广东省光电子器件与系统重点实验室, 广东 深圳 518060
基于光学原理的三维扫描技术通过光学系统对物体空间外形进行扫描,获取物体的三维信息,具有非接触性、高精度和高分辨率等优点。目前,工作距在1 m内的结构光三维扫描重建精度可达0.01 mm量级,点云数量可达百万量级。而采用纹理重建技术能进一步呈现扫描物体的色彩、材质等信息,提高了重建物体的真实感。由于相机误差和光照环境等因素影响,在纹理映射后纹理图像中容易产生接缝、模糊和重影等现象。通过建立相机模型,推导三维空间点和二维图像间的映射关系,归纳造成纹理残留处理痕迹的原因;分类介绍不同策略下消除纹理重建中残留处理痕迹的方法,总结其研究成果在纹理重建中的作用;针对纹理重建中尚存在的不足,对彩色三维扫描的纹理重建方法的发展方向进行了展望。
三维传感 纹理重建 马尔可夫随机场 复合权重纹理融合 色彩校正 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 110004
上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200072
标定方法一直是线结构光三维测量系统研究的关键要素。重点讨论了线结构光传感器标定方法中的三个问题:标定靶物、光平面标定方法以及标定精度评定方法的比较。首先,总结了常用的标定靶物类型及其标定特点,为标定靶物的选型提供参考;然后,按照标定靶物和传感器标定时的相对运动关系,将当前主要的光平面标定方法划分为三类,分别是靶物与传感器位置关系固定不动的标定方法、靶物与传感器之间存在可控运动的标定方法以及靶物与传感器之间可自由移动的标定方法;其次,系统归纳了现有标定精度的评定方法,分析了各种方法的原理以及特点;最后,总结了线结构光标定方法的发展现状,指出线结构光自扫描测量系统和水下标定是线结构光传感器的发展趋势。
机器视觉 三维传感 线结构光测量 标定靶物 光平面标定 标定精度评定方法 激光与光电子学进展
2018, 55(2): 020001
提出一种基于红、绿、蓝和红外并行4颜色通道的条纹投影三维测量技术,实现单次测量获得物体的表面三维形貌。该技术克服了传统方法投影多帧条纹图像而造成测量速度慢的缺点,在保证精度的同时提高了测量速度。结合两步相移、傅里叶变换法和最佳三条纹选择法的相位求解方法,独立计算各个像素点的绝对相位,从单次同时采集的复合彩色图像和红外图像中获得非连续物体等复杂面形的三维形貌数据。利用半透半反镜实现了可见光和红外两个投影仪的光轴同路,并建立它们之间的投影变换,实现了两个投影仪像素间的精确对应。利用所研制的系统,测量了非连续的静态物体和动态物体,获取了它们的表面三维形貌数据。结果显示,所研制的方法适用于三维形貌的快速测量。
机器视觉 三维传感 并行四颜色通道 条纹投影 相位测量 快速三维面形测量
成都信息工程大学光电技术学院， 四川 成都 610225
调制度轮廓术采用条纹投影和成像共轴的系统结构，将被测物体的高度信息编码在条纹的模糊程度中，无需相位展开即可完成对复杂物体的面形测量，能有效避免阴影、遮挡和相位不连续等问题。在实际测量中，由于CCD探测器光电响应的非线性，高次频的引入直接影响调制度分布的提取，从而降低系统的测量精度。研究了小波变换应用于受到非线性因素影响下的条纹调制度提取，从信号频域角度分析并推导了该方法提取条纹调制度的表达式。在进行条纹解调时采用最佳的加权滤波窗，有效抑制了非线性因素对测量精度的影响，获得比傅里叶变换更好的重建效果，计算模拟和实验验证了该结论的正确性。
测量 光学三维传感 调制度分布 小波变换 CCD探测器的非线性 激光与光电子学进展
2017, 54(7): 071205
