基于相位和深度间直接关系的镜面物体三维形貌测量原理与技术研究

With the advent of intelligent manufacturing technology, it is becoming more and more important to measure the 3D shape of specular objects and components during product manufacturing process. Due to the advantages of fast data acquisition, automatic data processing, and the high accuracy, phase deflectometry based on full-field fringe display has been widely applied to measure the 3D shape of specular objects. However, the existing phase defectometry indirectly obtains the 3D shape data by gradient integration, so it has the drawbacks of being sensitive to noise, the complicated measuring procedure, and unable to measure discontinuities. Therefore, applying the technique of fringe pattern reflection, this project will study the principle, technique and method how to measure the 3D shape of specular objects based on phase and depth relationship. The content mainly includes: build up the mathematical model of directly converting phase map to 3D shape data; software and hardware techniques and their implementation of parallel design of two digital screens; theory and technique of modulating and demodulating sinusoidal fringe patterns into two color channels; novel theory and technique of 3D calibration to build up the accurate relationship between absolute phase map and 3D shape data; error analysis and performance evaluation of the measuring system. This project not only has important theoretical significance for research and novel developments in 3D visual fields, but has important practical application value in quality assurance of specular components in the fields of intelligent manufacturing.

随着智能制造时代的到来，复杂镜面物体表面三维形貌测量变得越来越重要。由于测量速度快、数据处理自动化、精度高等优点，基于全场条纹显示的相位反射术被广泛应用于镜面物体三维形貌的测量。但已有的相位反射术利用梯度积分间接求得表面三维形貌数据，因此存在对噪声敏感、测量和计算过程复杂、无法测量非连续表面等缺点。应用条纹反射原理，本项目将研究一种基于相位和深度间直接关系测量镜面物体表面三维形貌的理论、技术和方法。内容包括：建立绝对相位图和三维数据间直接关系的几何模型；基于所建立的模型，研制平行双数字屏幕并显示正弦条纹的软硬件技术和实现方法；正弦条纹在两颜色通道中调制和解调的原理与技术；测量系统三维标定的理论和技术，建立绝对相位图和三维数据间的精确对应关系；测量系统的误差分析和性能评价。本项目不仅对三维视觉领域创新技术的研究具有重要的理论意义，而且对于智能制造过程中高反光物体的质量保障具有重要的应用价值。

复杂镜面三维形貌测量在航空航天、汽车、智能制造等领域变得越来越重要。基于全场条纹显示的相位反射术由于测量速度快、数据处理自动化、精度高等优点被广泛应用于镜面三维形貌的测量。针对非连续镜面，本项目组开展了系列深入的研究工作，顺利完成了预定计划中的各项工作。主要研究内容包括：建立了绝对相位图和三维数据间直接关系的几何模型，并给出了具体的描述；基于所建立的模型，研制了平行双数字屏幕并显示正弦条纹的软硬件技术和实现方法；研究了正弦条纹在两颜色通道中调制和解调的原理与技术；测量系统三维标定理论和技术的系列研究，建立了绝对相位图和三维数据间的精确对应关系；研制了表面带有圆环标识的标定平板，对测量系统进行了准确的标定；测量系统的误差分析和性能评价。因此，本项目不仅对三维视觉领域创新技术的研究具有重要的理论意义，而且对于智能制造过程中高反光物体的质量保障具有重要的应用价值。基于此国家自然科学基金项目，在国内外高水平期刊和会议上发表相关学术论文58篇，其中SCI文章23篇。对实用性强的关键技术与装置以专利申请或版权注册的方式进行了提交，申请了国家发明专利10项，其中已经授权7项。培养了硕士生18名，博士生6名，博士后研究人员1名。其中1人荣获“叶声华奖学金”、1人“河北省优秀博士学位论文”、1人“河北省优秀硕士学位论文”、6人河北省优秀毕业研究生荣誉称号。直接相位测量偏折术作为核心发明点之一，2018年获得河北省技术发明二等奖、2019年获得中国光学工程学会技术发明一等奖；“并行四颜色通道的条纹投影三维形貌测量方法及装置”发明专利荣获2019年天津市专利奖金奖。项目主持人先后荣获欧盟玛丽•居里学者、河北“三三三人才工程”一层次人选、河北省政府特殊津贴专家、天津市创新人才推进计划重点领域创新团队负责人、江苏省“双创人才”等荣誉称号，受聘为光学类顶级期刊Optics Express的Associate Editor。