光切片结构光显微的三维测量速度一直是该技术应用方面的重要关注点。基于光切片的三维测量方法需要在同一个轴向位置进行至少两次曝光, 才能获得该位置的光切片信息。文章提出一种单次曝光的结构光显微三维测量方法, 在轴向扫描的每个位置只需拍摄一幅结构光显微图像, 相邻轴向位置的条纹存在一定的相移; 然后分析每个像素对应的轴向灰度曲线, 计算轴向调制度并定位峰值; 最后进行标定和换算, 便可得到样品的三维重建结果。实验证明, 所提方法可以得到与光切片方法相当的测量精度, 测量效率和图像处理效率都比光切片法有很大提升。
结构光显微 调制度分析 相移法 三维测量 structured illumination microscopy modulation analysis phase shifting method three-dimensional measurement
1 青岛理工大学信息与控制工程学院，山东 青岛 266520
2 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
针对基于2+1相移法的高反光表面三维测量，分析了强度饱和条纹图案的傅里叶频谱，引入了强度饱和条纹的三阶傅里叶级数表达形式，建立了强度饱和所致的包裹相位误差模型，提出了双2+1相移法。从精度和效率两方面进行了对比实验：对比传统的2+1相移法和自适应条纹投影的2+1相移法，双2+1相移法的相位误差分别降低了69.9%和65.2%；对比多曝光2+1相移法和自适应条纹投影的2+1相移法，双2+1相移法的测量效率分别提高了91.9%和63.9%。
高反光表面 强度饱和条纹 相位误差模型 双2+1相移法 光学学报
2023, 43(20): 2012001
1 河北工业大学 机械工程学院，天津 300130
2 赫德斯菲尔德大学 精密技术中心，赫德斯菲尔德 HD13DH
数字条纹投影技术由于其非接触、测量精度高等特点在生物医学监测、虚拟现实以及计算机视觉等领域中应用越来越广泛。但其仍存在一定局限性，例如测量深度范围受限和投影仪存在非线性误差。二值离焦技术很好地克服了条纹投影三维测量中的非线性问题，但二值图像的高次谐波分量会造成测量误差。文中提出一种基于抖动算法的多频相位选择方法，该方法利用离焦抖动技术减少二值图像的高次谐波，避免投影仪非线性误差的影响；同时采用不同抖动算法及扫描方向调制得到二值图像，通过对比周期为12~60 pixel范围内的条纹图像在25个离焦程度下的展开相位误差分布，筛选出相应图像频率的离焦选择范围，最终确定不同离焦程度下条纹频率的最优选择。对于深度为22.5 cm被测物体进行了实验，正确恢复了大深度物体的三维形貌。实验结果表明：文中所提出的方法能有效地扩展测量深度范围，从而实现大深度范围被测物体的三维形貌测量。
三维测量 条纹投影 离焦 抖动 相移法 three-dimensional measurement fringe projection defocusing dithering phase shift 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230059
1 西南科技大学计算机科学与技术学院，四川 绵阳 621010
2 四川物科光学精密机械有限公司，四川 绵阳 621010
数字光弹性应力分析中常用相移法确定等倾线和等差线，最广泛应用的是十步相移法，针对单色光入射引起的等倾线耦合等差线的问题，增加采集白光入射4幅图像，使用不同光弹图像集分别计算等倾线和等差线，测量精度更高但操作复杂、效率较低。本文提出一种优化的六步混合相移方法，将十步相移法的6+4测量方法缩减为3+3的六步测量方法。用仿真模拟实验对本文方法进行误差分析，验证了其具有良好的抗噪性能和相移误差抗干扰能力。真实实验结果表明：与传统六步相移法相比，本文方法有效解决了等倾线耦合等差线以及波片失配误差的问题；与十步相移法相比，本文方法与其等倾线平均偏差约为0.01 rad，等差线平均偏差约为0.09 rad，在提高40%采集效率的同时保证了测量精度。
物理光学 数字光弹性 相移法 等倾线 等差线 光学学报
2023, 43(10): 1026001
针对格雷码相移条纹投影三维测量中相位展开易出现跳跃错误的问题, 提出一种连续相位自适应补偿方法。该方法基于双目结构光三维测量系统, 采用相移法结合正反格雷码的方法得到待测物体的连续相位图, 在连续相位图上搜寻错误像素点, 最后利用改进的自适应中值滤波方法来补偿相位展开出现的跳跃错误像素点以及噪声和阴影生成的无效像素点。实验结果表明:连续相位自适应补偿方法相对于传统格雷码相移法以及在连续相位图使用固定值中值滤波方法能够补偿连续相位图中大部分的错误像素点,并尽可能地保留待测物体的细节, 提高了三维形貌测量的稳定性和精度。
三维测量 相移法 格雷码 自适应补偿 连续相位 3D measurement phase-shifting gray code adaptive compensation continuous phase
上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
利用偏振相机实现瞬时相移获取光弹条纹的方法缺乏定量误差及补偿分析。圆偏场瞬时光弹相移法的误差主要是1/4波片与光源波长不匹配造成的。首先，基于Stokes矢量和Mueller矩阵，从理论上推导了光弹特性的误差及补偿方程，讨论了样品应力方向角和相位延迟量的误差分布。结果表明：等差线条纹误差正比于失配值；等倾线条纹误差是非线性的，但正比于失配值的余弦，反比于两个光强之差。然后，分析了光源谱线宽度对补偿效果的影响，结果显示谱宽的限制与波长成正比，与失配误差成反比。最后，结合对径受压圆盘的模拟和实验验证了误差分析及补偿方法的正确性，并论述了等倾线应力方向分离的问题。
测量 光弹 相移法 误差分析 光学学报
2022, 42(21): 2112002
西南交通大学物理科学与技术学院，四川 成都 610031
传统的光栅条纹相移法提取相位时至少需要3幅光栅图像，使得测量系统的工作频率较高，图像预处理工作量大。针对这些问题，将希尔伯特变换引入二步相移法。希尔伯特变换具有90°相移和滤除直流分量的特性，对光栅条纹图像进行希尔伯特变换处理后，利用推导的相位提取公式计算相位。测量系统的非线性效应会引起条纹图像的失真，计算出的相位不准确，导致最后的三维复原精度低。推导了二步相移法中系统非线性效应引起的相位误差的公式，并对相位进行迭代补偿，削弱了非线性效应的影响。通过计算机仿真验证了所提方法的可行性，并将所提方法用于钢轨表面的三维面形复原，为钢轨磨耗和表面缺陷的测量提供了有效方法。
机器视觉 三维测量 希尔伯特变换 二步相移法 钢轨轮廓 非线性相位误差 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1015003
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
利用相位级次的编码和调制方法将相位级次信息叠加到相移图像中,提出了一种直接利用相移图像进行相位解包裹的方法。在投影端,提出了一种邻接不重复德布鲁因序列,并用该序列对相位级次进行编码,然后将该周期级次编码序列调制、叠加到多步相移图像中。相应地,在解码阶段,从拍摄到的相移图像中同时解调、分解出包裹相位和周期级次编码序列,通过序列的匹配还原真实周期级次信息,并最终准确地解包裹出绝对相位。以四步相移法为例,本文方法相比传统的时间相位解包裹算法,投影图片从10张(64个相位周期)缩减到了4张,提高了测量效率。
测量 结构光 相移法 相位解包裹 三维测量
1 北方工业大学机械与材料工程学院, 北京 100144
2 中国电子科技集团公司第十一研究所, 北京 100016
3 北京理工大学机械与车辆学院, 北京 100081
温度场的精密测量对机械、航空航天、生物医学、食品化工、电力、能源和环境等诸多行业都有重要意义。提出了一种基于多步相移法和偏振干涉光学层析光路的三维温度场测量方法。首先,结合马赫-曾德尔干涉光路结构与光学层析技术设计偏振干涉光学层析测量系统,并利用偏振器件的旋转实现多步相移以实现高精度信号检测。然后,通过指数型滤波反投影算法还原得到被测介质的三维折射率分布,进而获得三维温度场分布。最后,推导了测量公式并搭建了实验系统。误差分析表明,现有实验条件下的系统测量不确定度约为0.8 ℃。测量实验和比对结果表明,所测得的温度场与实际情况吻合,与铂电阻温度计的标定温度比对结果小于2 ℃。
测量 温度场测量 多步相移法 偏振干涉 光学层析 折射率
西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031
随着三维测量技术的成熟，非接触式三维（3D）掌纹采集系统为掌纹识别的研究提供了新的途径。为了提高3D掌纹信息的采集精度，提出一种融合双目立体视觉与结构光的便携式非接触3D掌纹采集系统。首先将编码图案投影到目标手掌表面，使用双目相机获取左右视图后，采用格雷码-相移法获取目标的绝对相位信息，然后引入波义耳摩尔投票算法进行最大概率校正以降低视差图中的跳变噪声，经过亚像素级立体匹配和双目相机的立体标定后，得到3D掌纹信息。最后在自行搭建的一套便携式3D掌纹采集系统上进行实验，实验结果表明，该方法相比于传统基于双目立体视觉的3D掌纹采集系统，能提高掌纹的采集精度，获得更好的三维掌纹重建效果。
图像处理 双目立体视觉 结构光 格雷码-相移法 立体匹配 三维掌纹采集 激光与光电子学进展
2022, 59(4): 0410016
