微小物体光栅投影三维测量关键技术研究

Fringe projection 3D shape measurement technique is one of the most promising 3D optical metrologies in applications of advanced manufacturing, as its attributes of non-contact, high-speed, large 3D points, and high-accuracy. With the higher demand of practical applications and the rapid development of science and technology, there are some challeges for fringe projection 3D shape measurement, especially for the small size objects 3D shape measurement. Supported by the projects of the National Scince Foundation of China (NSFC), we have done lots of research work in improving the fringe projection performance index and a high-accuracy fringe projection 3D shape measuremet system has been self-developed. Based on the previous works, this project aims to realise 3D measurement for small size objects by fringe projection technique. The key factors include system construction, small field calibration, system nonlinearity correction and high-quality phase acquisition. Based on the proposed high-spatial resolution optical system for small size objects measurement, novel methods including small field calibration, system nonlinearity correction, transform-method based phase extraction, color fringe projection technique and 3D point matching should be proposed. Based on these theoretical research results, a fringe projection 3D shape measurement system for small size object is set up, whose measuring range is from tens of micrometers to tens of millimeters.

光栅投影三维测量技术具有非接触、速度快、数据量大、精度较高等优点，是先进制造领域中最重要的光学三维测量方法之一。随着先进制造等应用领域的需求拓展和研究领域相关技术的快速发展，对光栅投影三维测量技术也提出了更高要求，如何实现微小尺寸物体光栅投影三维测量面临着挑战。申请人在国家自然科学基金资助下，对光栅投影三维精密测量的诸多关键技术进行了较为深入和持续的研究，并在理论研究基础上，自主开发了光栅投影三维精密测量原型系统。本项目拟在此基础上，以实现微小尺寸物体测量为目标，重点研究显微系统构建、小视场系统标定、非线性校正、高质量相位信息获取等关键问题，设计高分辨率光学显微系统，提出新的小视场系统标定、投影光栅模式校正、基于变换法的相位求解、彩色光栅投影以及三维数据配准等方法。基于此，实现微小尺寸物体(几十微米/几十毫米)光栅投影三维测量原型系统。

作为现代结构光投影三维测量方法之一，光栅投影三维测量技术（FPP, fringe projection profilometry）具有测量速度快、测量精度高、获取数据量大、测量设备简单和对环境光较为鲁棒等特点，在先进制造、虚拟现实、工业检测和文物保护等诸多领域得到了广泛应用和深入研究。近年来，随着新型加工制造工艺的迅速发展以及机械、电子、生物医疗和新型材料等领域中微型器件的应用越来越广，针对尺寸微小的物体的精密测量变得越来越重要。本项目主要研究如何将 FPP 测量技术用于微小尺寸物体三维测量场景当中，深入研究其中的系统光学设计、系统参数标定、相位展开与相位质量提升，以及点云处理等若干关键问题，具体如下：.（1）根据微小物体尺寸的不同，分别构建了针对10mm-50mm的微小物体和1mm以内微小物体两种不同的基于光栅投影技术的光学测量系统。.（2）针对两种测量系统分别提出了两种相应的系统标定方法：基于远心成像的 FPP 测量系统标定算法，将远心成像相机标定至 0.07 个像素的重投影误差，大幅提高了系统测量精度；基于体视显微镜的 FPP 测量系统标定算法，解决了在应用景深较小情况下传统标定方法不适用的问题。.（3）提出基于全自动多重曝光的高动态范围三维测量方法，可以准确简便地获得具有高动态范围的三维测量结果。.（4）针对在测量微小尺寸物体时采集的图像中容易出现由各类全局光照引起的局部模糊现象，提出一种模糊状态下的相位误差校正算法对相位误差进行补偿；同时为了进一步提升测量速度，提出并实现了散焦状态下快速相位展开与相位误差补偿等方法。.（5）针对三维点云数据，提出了新的点云精简、配准和压缩算法，该类算法在点云后处理的实际应用中均可靠高效。.（6）在完成项目既定任务之外，项目组还在已有成果基础上开展了其他相关研究如多视图三维重建、三维人脸采集与识别等，均取得较好研究成果。