基于透视差效应的同轴结构光三维测量方法研究

With the advantages of measuring convenience, broad applicability, and high accuracy, structure light method has been widely used in numerous areas such as industrial inspection, character identification and biomedical engineering. However, since the method retrieves the 3D information based on the triangulation relationship, there will be shadow areas that cannot be measured when the surface varies seriously. And this problem limits the application of the structure light method in a certain extent. To overcome this limitation, we propose a novel coaxial structure light method for 3D measurement based on the difference of perspective effect. The research work includes the following contents. First, since there are different ways to construct the coaxial system by using different optical lens for projection and imaging subsystems, the perspective effect of different systems will be analyzed to obtain the optimal construction model. Then, the characteristics of frequency modulation and phase modulation will be analyzed, and the corresponding 3D reconstruction methods could be established. Fianlly, the research of mutual correction and data fusion based on the frequency-based and phase-based reconstruction methods will be conducted to achieve high-speed and high-accuracy 3D measurement. The research could provide a new solution for the shadowless 3D measurement of complex objects, thus has important realistic meaning and academic value for 3D shape measurement.

结构光三维测量方法具有测量方便、适用面广以及精度较高等优点，在工业检测、特征识别以及生物医学工程等诸多领域有着广阔的应用前景，但由于其采用三角法原理实现三维信息的重构，导致在复杂面形物体的测量中存在阴影与遮挡等问题，从而给该方法带来了一定的局限性。本项目针对复杂面形的全视场无阴影、高精度测量，提出一种基于透视差效应的同轴结构光三维测量新思路。主要研究内容包括：通过分析不同同轴系统的组建方式及其透视差效应，构建优化的透视差系统模型；探索系统透视差效应的频率与相位调制特性，建立两种相应的三维重建方法；研究基于频率与相位调制重建方法的耦合校正与高精度数据融合，实现高速高精度的同轴三维测量。本项目的实施可为复杂面形物体的全视场无阴影测量提供新的思路与解决方法，具有重要的理论意义与应用价值。

在传统结构光三维测量方法中，投影光路与成像光路一般呈三角交汇关系。尽管其具有测量方便、适用面广以及精度较高等优点，但在测量复杂面形物体时容易产生阴影区域，从而给该方法带来了一定的局限性。针对该问题，本项目开展了基于透视差效应的同轴结构光三维测量新方法研究。首先，系统地分析了不同的同轴系统构建方式，开展了透视差效应与相位变化的关联研究，发现了同轴系统的相位敏感度与透视差效应成近似线性关系。基于此，提出基于透视差效应的同轴结构光系统的优化模型。其次，基于优化的同轴系统，分析了透视差效应的频率与相位调制特性，并建立了两种不同的三维重构方法。通过透视投影系统的光线追击，分析了相位与空间三维信息的关联模型，提出了基于投影中心的系统标定方法与三维重构模型；通过对远心成像系统进行光线追击，项目组发现了相位-高度乘积不变性的规律，进而提出了基于平面参考板的便捷标定方法，实现了高精度的同轴三维测量。此外，研究发现三维测量精度与相位质量密切相关，通过改善与优化二值条纹的调制方式能有效提升测量精度。对传统方波二值条纹投影方法，通过改进空间调制方式有效地提升了其相位精度；开展了多级脉宽调制图案的优化研究，通过引入多阶灰度级别，进一步实现了高频谐波成分的抑制与相位质量的提升。最后，提出了基于几何约束的改进双频条纹投影方法，实现高速高精度的绝对相位获取与三维测量。针对被测物体可能存在高反效应的问题，本项目还开展了基于光谱调制的高动态范围三维测量方法研究。通过引入光谱调制以及采取多光谱成像单元，能够实现不同强度级别的条纹图案获取，进而通过多光谱条纹融合实现了高反物体的高精度三维测量。本项目研究期间，累计发表SCI论文14篇，国际会议特邀报告2次，申请相关发明专利5项，授权4项，达到了预期研究目标。