高性能单帧投影动态三维面形测量技术的关键问题研究

The advantages of grating projection 3D measurement technology are low cost, high precision, non-contact, etc. The phase-shift technology has achieved successful high-precision measurement for the static object. However, the dynamic 3D shape measurement technology still faces with many challenges. It needs only one deformed fringe pattern of the object, and then the 3D information can be obtained through extracting and recovering the useful information. This type of system is simple to be constructed and easy to operate, so it is the main means for dynamic 3D shape measurement in recent years. This project carries out image processing on single fringe pattern and focuses on the key issues of fringe analysis and phase demodulation, the correction of system errors and the image processing of the dark and reflected areas in fringe pattern. Moreover, the algorithm optimization and the improvement of the computation speed are also included in the research. The aim of the project is to improve the accuracy, the effectiveness and the robustness of the dynamic measurement technology. Aiming at the difficult problems in practical application, the theory and algorithm studies are developed deeply, and the proposed algorithms and technologies are expected to promote the universal application of dynamic measurement system.

光栅投影三维测量技术具有成本低、精度高、非接触等优点，其中的相移技术已实现对静态物体的高精度测量，而动态三维面形测量技术的理论研究与实现仍面临许多挑战。单条纹图三维测量仅需一幅被测物体的变形条纹图，通过对有用信息的提取和恢复即可获得物体的三维信息，其系统构成简单、易操作，是近年来动态物体三维面形测量的主要技术手段。本项目以单帧图像处理为前提，重点研究单帧投影动态测量技术中的条纹分析及相位解调、测量系统误差的校正、条纹图阴暗及高光区域的处理等关键问题，并涉及算法的优化及运算速度的提高等关键技术。项目旨在提高动态测量技术的精度、时效性和鲁棒性等性能，针对实际应用出现的难点问题展开相关理论和算法的研究，同时，期望相关算法和技术的实现能够推动动态测量系统的普遍应用。

动态三维测量技术的理论研究与实现一直都受到科技及工业界的关注，单条纹图三维测量仅需一幅被测物体的变形条纹图，通过对有用信息的提取和恢复即可获得物体的三维信息，其系统构成简单、易操作，是近年来动态物体三维面形测量的主要技术手段。本项目以单帧投影动态测量技术为研究重点，开展了以下工作：. (1)对EMD(Empirical Mode Decomposition)理论及算法进行了研究:提出了RPSEMD算法，用自适应设计的正弦信号作为辅助，可解决模式混叠问题；将该方法扩展到二维空间，提出了SBEMD算法，可快速、有效地对二维图像进行处理、分析。这些方法还可成为其他学科及领域的信号/图像处理工具。. (2)研究了单帧条纹图的分析及相位解调：相继提出基于RPSEMD和SBEMD算法的条纹图分析和处理方法，可实现自动去除条纹图的噪声及背景分量，从而精确提取条纹信号及包裹相位。. (3)解决了条纹投影测量可能出现阴暗、高光区域的问题：提出了基于SBEMD的条纹增强法，此外，还提出了基于高动态性能的自适应调整投影的方法，通过构造合适的环境光预先补偿的手段来避免投影条纹产生过饱和区域。. (4)研究了系统误差的修正方法：提出了一种相位滤波法，滤除相位的周期性高频谐波以去除系统的非线性误差，同时可保留相位细节信息的完整性。. (5)研究了用于测量系统的SBEMD算法及单帧相位展开算法的快速及优化设计，并将上述提出的算法进行整合，搭建了单条纹投影测量系统样机。. 项目旨在解决具有复杂面形或处于复杂测量环境下动态物体的三维测量技术问题，项目成果提高了单条纹投影三维测量的精度，并为相关应用领域提供了技术手段；同时，所提出的算法和方法还可为其他领域提供参考和技术工具。.