基於透視差效應的同軸結構光三維測量方法研究

《基於透視差效應的同軸結構光三維測量方法研究》是依託武漢大學，由王亞軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於透視差效應的同軸結構光三維測量方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王亞軍
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

結構光三維測量方法具有測量方便、適用面廣以及精度較高等優點，在工業檢測、特徵識別以及生物醫學工程等諸多領域有著廣闊的套用前景，但由於其採用三角法原理實現三維信息的重構，導致在複雜面形物體的測量中存在陰影與遮擋等問題，從而給該方法帶來了一定的局限性。本項目針對複雜面形的全視場無陰影、高精度測量，提出一種基於透視差效應的同軸結構光三維測量新思路。主要研究內容包括：通過分析不同同軸系統的組建方式及其透視差效應，構建最佳化的透視差系統模型；探索系統透視差效應的頻率與相位調製特性，建立兩種相應的三維重建方法；研究基於頻率與相位調製重建方法的耦合校正與高精度數據融合，實現高速高精度的同軸三維測量。本項目的實施可為複雜面形物體的全視場無陰影測量提供新的思路與解決方法，具有重要的理論意義與套用價值。

結題摘要

在傳統結構光三維測量方法中，投影光路與成像光路一般呈三角交匯關係。儘管其具有測量方便、適用面廣以及精度較高等優點，但在測量複雜面形物體時容易產生陰影區域，從而給該方法帶來了一定的局限性。針對該問題，本項目開展了基於透視差效應的同軸結構光三維測量新方法研究。首先，系統地分析了不同的同軸系統構建方式，開展了透視差效應與相位變化的關聯研究，發現了同軸系統的相位敏感度與透視差效應成近似線性關係。基於此，提出基於透視差效應的同軸結構光系統的最佳化模型。其次，基於最佳化的同軸系統，分析了透視差效應的頻率與相位調製特性，並建立了兩種不同的三維重構方法。通過透視投影系統的光線追擊，分析了相位與空間三維信息的關聯模型，提出了基於投影中心的系統標定方法與三維重構模型；通過對遠心成像系統進行光線追擊，項目組發現了相位-高度乘積不變性的規律，進而提出了基於平面參考板的便捷標定方法，實現了高精度的同軸三維測量。此外，研究發現三維測量精度與相位質量密切相關，通過改善與最佳化二值條紋的調製方式能有效提升測量精度。對傳統方波二值條紋投影方法，通過改進空間調製方式有效地提升了其相位精度；開展了多級脈寬調製圖案的最佳化研究，通過引入多階灰度級別，進一步實現了高頻諧波成分的抑制與相位質量的提升。最後，提出了基於幾何約束的改進雙頻條紋投影方法，實現高速高精度的絕對相位獲取與三維測量。針對被測物體可能存在高反效應的問題，本項目還開展了基於光譜調製的高動態範圍三維測量方法研究。通過引入光譜調製以及採取多光譜成像單元，能夠實現不同強度級別的條紋圖案獲取，進而通過多光譜條紋融合實現了高反物體的高精度三維測量。本項目研究期間，累計發表SCI論文14篇，國際會議特邀報告2次，申請相關發明專利5項，授權4項，達到了預期研究目標。