基于离焦二值图像的超高速三维形面测量中相位误差建模与补偿

Super-fast 3D shape measurement can provide important motion and deformation data for scientific experiment and engineering, but due to the high frequency harmonics of defocused binary patterns and irregular change of phase-shifting between captured images caused by motion or deformation, there will be very large phase computation errors, which block the development and application of this method. To this end, this study will research the defocused projection imaging model, binary image coding method and motion caused phase error compensation to remove the phase errors. The detail contents are as follows: the defocused projection imaging model of projector will be built to interpret the projection imaging law; a binary image coding method will be proposed based on studying the effect of period of fringe and measurement volume etc. to eliminate the high frequency phase error caused by high frequency harmonics; the relationship between phase shift of image points and corresponding space points will be built to illustrate the fundamental reason for the phase error generated by motion, and a phase error compensation algorithm based on iterative optimization will be proposed to remove the errors. This study can significantly improve the phase computation accuracy for super-fast 3D shape measurement, and it will provide the theoretical and technological foundation for the applications in aerospace, electrical energy and other important fields.

基于离焦二值图像的超高速三维形面测量能为众多领域的科学研究与工程实践提供基础数据，但离焦二值图像中的高次谐波和被测物体运动变形引起的图像间相位移无规律变化将导致相位计算误差，阻碍了该方法的发展与推广。为此，本项目拟研究离焦投影成像模型、二值图像编码方法、由被测物体运动变形产生的相位误差补偿等关键基础问题，消除超高速三维形面测量中的相位误差。具体内容包括：构建精确的投影仪离焦投影成像模型，揭示其成像规律；研究光栅像素宽度和测量空间范围等因素对二值编码过程和相位误差的影响规律，提出二值图像编码方法，消除高次谐波引起的相位误差；建立图像点相位移与对应的空间点位移之间关系的数学模型，揭示由运动变形产生相位误差的本质原因，采用迭代优化的方法，消除由运动变形产生的相位误差。本项目的实施能大幅度提高超高速三维形面测量的相位计算精度，为该方法在航空航天、能源电力等重要领域的应用推广提供理论与技术基础。

高速三维测量能精确获取运动变形物体表面的三维形面数据，为众多领域的科学研究与工程实践提供基础数据，但原有方法误差源较多（包括：系统参数漂移、图像编码和解码、由被测物体运动变形引起的相位计算误差等），导致测量精度不高，而且三维计算复杂度高，测量效率低，因此难以发展与推广。面向上述问题，本项目的研究取得了以下结果：（1）构建了耦合焦距比例约束的平差优化模型，提出了耦合焦距比例约束的系统参数平差实时优化方法，克服了系统参数漂移导致精度下降的问题影响，将静态三维测量精度控制在±0.03mm；（2）设计了基于双路径对称原理的精确角点提取和基于梯度极值的模板解码算法，提出了基于De Bruijn编码单帧二值图像的编码与解码方法，提高了单帧面结构光的测量分辨率；（3）在不增加额外图片的前提下，将二值编码信息在相位层面与相位移图像融合，提出了单帧二值图像与多帧相位移图像相复合的编码与解码方法，克服了直接进行灰度调制引起的非线性响应误差，实现了快速全空间分辨率的三维测量；（4）根据全流水线的设计原则，在门级逻辑电路层面上对测量全过程（相位计算、相位矫正、对应点匹配与三维重建）的计算模块进行了设计，通过优化缓存机制，提出了全流水线式高效并行三维计算方法，将计算效率提高了约100倍；（5）采用仿真实验，探索了物体运动对相位计算精度的影响规律，构建了基于Sift特征对应的多频光栅图像间单应映射关系，提出了基于图像微位移单应映射的运动误差补偿方法，以测量静止物体为参考，误差补偿后，精度可以达到±0.06mm。上述研究结果表明，高速三维形面测量的精度和效率得到大幅度提升，而且相关成果已经在航空航天、汽车等领域得到应用，解决了部分复杂零件快速三维测量的难题。 本项目在执行期内共发表SCI论文8篇，申请中国发明专利4项。