相位编码结构光三维测量技术研究
结构光三维成像技术动态测量中相位提取方法研究
结构光三维成像技术动态测量中相位提取方法研究结构光三维成像技术动态测量中相位提取方法研究摘要：随着科技的发展，结构光三维成像技术在工业制造、医学与生物学等领域中已得到广泛应用。
其中，相位提取是结构光三维成像中至关重要的一个过程。
本文主要研究了结构光三维成像技术动态测量中的相位提取方法。
1. 引言结构光三维成像技术是一种通过发射特定结构的光源，利用光的散射和反射原理进行物体表面形貌测量的方法。
该技术具有非接触、高速、高精度等特点，被广泛应用于三维形貌测量、表面缺陷检测等领域。
而在结构光三维成像技术中，相位提取是一个至关重要的步骤。
相位提取的好坏直接影响到三维成像的精度和可靠性。
2. 相位提取方法2.1 基于频率域的相位提取方法基于频率域的相位提取方法是一种常用且有效的方法，它基于傅里叶变换原理通过频域分析来获取相位信息。
典型的方法有快速傅里叶变换法（FFT）、Hilbert变换法等，它们可以从干涉图像中提取出相位信息。
虽然这些方法能够提取出相位信息，但是在动态测量中往往因为算法复杂度高、计算速度慢等问题而不适用。
2.2 基于时域的相位提取方法基于时域的相位提取方法是一种近年来较为常用的方法。
该方法主要利用结构光在物体表面的反射过程中，相位的连续性来提取相位信息。
常见的方法有相移法、三步相移法等。
这些方法通过在不同时间点上记录下一系列图像，再通过图像处理和算法来获取相位信息。
这种方法相对于频率域方法来说计算速度更快，适用于动态测量。
3. 相位提取方法的研究进展随着科技的不断发展，相位提取方法的研究也取得了很大进展。
在基于时域的相位提取方法中，有学者提出了双频混合法、时序二次提取法等方法，能够更准确地提取出相位信息。
在基于频率域的相位提取方法中，有学者提出了快速傅里叶变换的优化算法，能够提高计算速度。
此外，还有研究者提出了综合使用时域和频率域方法的相位提取算法，进一步提高了相位提取的准确性和速度。
4. 相位提取方法的应用相位提取方法的研究不仅仅停留在理论层面，还有很多实际应用。
基于结构光的三维形貌视觉测量方法研究
基于结构光的三维形貌视觉测量方法研究基于结构光的三维形貌视觉测量方法是一种非接触的三维测量方法。
其基本测量原理是采用计算机生成一定的结构光图案,用投影仪投射到被测物体表面,物体将对投射的结构光图案产生相位调制,表现为具有一定程度变形的结构光图案。
单目系统中利用相移法、傅里叶变换法解调出包裹相位,并进行相位展开,根据系统模型中的相位-高度关系式得到物体的三维坐标。
双目系统中,使用格雷码编码结构光图案,完成双目系统的立体匹配,再根据三角法求解得到物体的三维坐标。
本文以结构光为基础,主要研究了单目系统和双目系统相关的三维重建方法,并将重建方法应用到实际物体的测量,主要内容如下:(1)研究了单目系统中的三维重建的方法,指出单目系统三维测量的关键步骤:系统标定和相位展开。
在相机-投影仪系统中,建立严格的数学模型并求解相关的参数,以较高精度实现了单目系统三维形貌的恢复。
在相位展开方面,采用改进算法能够准确的求解相位主值和进行相位展开,提高了三维形貌恢复的速度和精度。
(2)研究了双目系统中三维重建的方法,针对传统的立体匹配方法匹配点数不多的问题,本文采用了格雷码编码结构光图案的方法,使得投影出的结构光图案中每个像素点都拥有唯一码值与其对应,明显提高了双目立体匹配的精度以及点数稠密度。
在三维计算方面,采用基于公垂线的解法合理处理理论与实际的误差,取得很好的效果。
(3)在单目系统中摄像机-投影仪系统的标定与在双目系统中相机的标定决定了三维测量的精度。
本文采用Bouguet的摄像机标定工具箱,实现了对摄像机较高精度的标定。
经过研究,指出投影仪可以看作是逆向的摄像机,采用基于平面的标定方法可以实现对投影仪的较高精度标定。
(4)针对静态目标的高精度测量问题,本文搭建了双目结构光的三维形貌测量系统。
采用python-opencv进行编码,利用格雷码编码的方法对静态目标投影42幅编码图案进行重建,建立了一套完整的双目编码结构光的测量系统,静态物体测量精度达到0.2mm,并完成软件实现。
面结构光三维系统相位测量精度研究
摘要随着光学三维传感技术的广泛应用，其精度要求也日益变得苛刻。
面结构光三维测量技术以其高速、高精度、非接触等优点备受关注，它是一种主动的非相干光学三维传感技术。
面结构光三维测量技术是通过向物体投射面结构光，然后获取被待测物体表面三维面形调制后的图像，解调出待测物体的相位信息，最后通过相位与高度关系可以得到物体表面的三维形貌数据。
相位测量的精度直接影响物体重建面形的测量精度，因此相位精度问题是面结构光三维测量中的关键问题之一，是研究热点与难点。
本文主要围绕相位测量轮廓术与相位测量偏折术的高精度测量展开研究。
论文的主要研究内容包括：1.面结构光三维测量系统相位精度影响因素分析；阐述了相位测量轮廓术与相位测量偏折术这两种测量技术的基本原理、相位解调算法、相位展开算法以及高度重建算法等，分析了面结构光三维测量相位测量精度的影响因素，主要包括：相位解调算法与相位展开算法等导致的噪声问题、系统的随机噪声、由于相位测量轮廓术系统中其他点的镜面分量引起的多次反射问题、系统非线性Gamma效应引起的相位非线性误差等。
这些因素将导致相位测量不准确，降低测量精度。
2.面结构光三维测量中多次反射消除方法的研究分析；研究分析了相位测量轮廓术中存在的多次反射问题。
首先分析了相位测量轮廓术中多次反射问题存在的原因与影响，采用基于高频编码正弦条纹的方法，将相位误差降低了1.3倍，减小了相位测量轮廓术测量系统中多次反射对相位的影响，提高了相位测量精度。
3.面结构光三维测量中非线性误差的消除；本文着重阐述了系统非线性Gamma效应对相位测量精度的影响，并分析比较了相位测量轮廓术与相位测量偏折术中非线性的差异。
分析了预先畸变条纹补偿法与基于三次样条插值的光强补偿法两种方法，基于此提出一种基于线性拟合的相位误差补偿方法。
通过仿真与实验结果分析，证明了该方法的有效性与可靠性，该方法将非线性相位误差降低了20倍。
此外，本文还将几种补偿方法进行了实验分析对比，实验结果表明：基于三次样条插值的光强补偿法补偿效果最差，非线性相位误差降低了5倍，本论文提出的方法补偿效果最佳，大大降低了非线性相位误差。
基于相移法的结构光三维测量技术
基于相移法的结构光三维测量技术1. 引言结构光三维测量技术是一种非接触、高精度的测量方法，广泛应用于工程、制造、医学等领域。
其中，基于相移法的结构光三维测量技术以其高精度、高速度的特点备受关注。
本文将介绍基于相移法的结构光三维测量技术的原理、应用以及发展趋势。
2. 原理基于相移法的结构光三维测量技术利用光的干涉原理和相移算法，通过投射不同相位的光条纹，再通过相位差的测量来得到被测物体的三维形状信息。
其原理可以简单描述如下：将光源发出的光通过投影装置投射到被测物体表面。
投影装置可以是激光器、LED阵列或数字投影仪等。
通过改变投影光的相位，例如通过改变光的频率或改变投影光的光程差，可以得到不同相位的光条纹。
这些光条纹会在被测物体表面产生干涉，形成一系列亮暗交替的条纹图案。
然后，通过相机或其他光学传感器来捕捉被测物体表面的条纹图案。
相机可以是CCD、CMOS等。
利用相移算法对捕捉到的条纹图案进行分析处理，从而得到被测物体的三维形状信息。
相移算法可以通过计算条纹图案的相位差来确定物体表面每个点的高度或深度。
3. 应用基于相移法的结构光三维测量技术在许多领域都有广泛的应用。
以下是其中几个典型的应用示例：3.1 工业制造在工业制造领域，基于相移法的结构光三维测量技术可以用于产品尺寸和形状的测量、表面缺陷的检测以及零件的配准。
例如，在汽车制造中，可以利用该技术对汽车外壳进行检测和测量，以保证汽车的质量和安全性。
3.2 医学领域在医学领域，基于相移法的结构光三维测量技术可以应用于牙齿、骨骼和皮肤等组织的形状和变形测量。
例如，在牙科领域，可以利用该技术对牙齿进行三维形状的测量，以便制作适合的牙套和牙冠。
3.3 文化遗产保护在文化遗产保护领域，基于相移法的结构光三维测量技术可以用于古建筑、雕塑和绘画等文物的保护和修复。
例如，在对古建筑进行保护和修复时，可以利用该技术对建筑的形状和结构进行精确测量，以便进行合理的修复和保护措施。
部分编码结构光三维测量技术的研究
Ｃ ｉａ ２ Ｓ ｅｚ ｅ ｕ ｈ ｓｉ ｌ ｈ ｎｈ ｎ５ ０ ， ｕ ｎ ｄ ｎ ｒｖｎｅ Ｃ ｉａ） ｈｎ ； ． ｈｎｈｎＬ ｏ ｕ ｐ ｔ ， ｅ ｚｅ １０ １Ｇ ａｇ ｏｇＰ ｏｉｃ， ｈｎ Ｈｏ ａ Ｓ ８ Ａｂｔａ ｔ ｓ ｃ：Ａ ｒｅｄｍｅ ｓ ｎｌ３Ｄ ｓａｅｍｅｓ ｍｅｔ ｔｏ ｓ ｇｐｒ ａ ｃｄｎ ｒｃ ｒｄｌ ｈ ｒｐ ｓｄ Ｔ ｉ ｒ ： ｔ ｅ—ｉ ｎｉ ａ （－ ） ｈ ｐ ａ￣ｅ ｎ ｍｅ ｄｕｉ ａ ｉｌ ｏ ｉｇｓｕ ｔ ｅ ｇ ｔｓ ｏ ｏｅ ． ｈｓ ｈ ｏ ｈ ｎ ｔ ｔ ｕ ｉ ｉｐ
第 ３ 卷第 ５ ９ 期
２ １ 年 ５月 ０２
光 电工程
Ｏｐ ｏ Ｅｌ ｃｒ ｎ ｃＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｔ — ｅ ｔｏ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉ
Ｖｂｌ３ Ｎｏ． －９． ５
Ｍ ａ ， ０１ ｙ２ ２
文章 编号 ：１０ —０ （０ ０— ０ ７０ ３５ ２ ）５ ０５ —６ ０ １ Ｘ １ ２
部分编码结构光三维 测量技 术 的研究
霍金城 ，吴庆 阳 ，曾祥军 ，邓 丽 ２
（． １ 深圳市微纳光子信息技术重点实验 室 ，广东 深圳 ５ ８ ６ ； １０ ０ ２ ．深圳 市罗湖医院 口腔科 ，广东 深圳 ５ ８０ ） １０ １
摘要 ：提 出了一种部分编码结构光三维面形测量方法，将相位展开技术与条纹编码 结合起 来，既有效地减少 了投
结构光 三维测量
结构光三维测量
结构光三维测量是一种常用的三维视觉测量方法，通过投射光栅或编码图案到被测物体上，利用相机捕捉物体上的图案形变，进而计算出物体的三维形状和尺寸。
本文将从原理、应用和发展趋势三个方面来介绍结构光三维测量技术。
一、原理
结构光三维测量的原理基于三角测量原理和光学投影原理。
在测量过程中，通过投射光栅或编码图案到被测物体上，形成了一系列光栅或编码的图案。
被测物体表面的几何形状会导致光栅或编码图案的形变，相机捕捉到这些图案后，利用图像处理和计算机视觉算法，可以计算出物体表面的三维坐标信息。
二、应用
结构光三维测量技术在许多领域中得到了广泛的应用。
首先是工业制造领域，可以用于产品的质量检测、尺寸测量和形状分析等。
其次，结构光三维测量技术在文化遗产保护和数字化建模方面也有重要应用，可以实现对古建筑、雕塑等文物的三维重建和保护。
此外，该技术还可以应用于生物医学领域，如医疗影像重建、牙科扫描等。
三、发展趋势
随着科技的不断进步，结构光三维测量技术也在不断发展。
首先是测量精度的提高，通过改进算法和传感器技术，可以实现更高精度
的测量。
其次是测量速度的提升，可以实现实时快速的三维测量，适用于大规模生产线上的应用。
此外，结构光三维测量技术还与其他技术相结合，如深度学习、虚拟现实等，实现更广泛的应用。
结构光三维测量是一种重要的三维视觉测量技术，具有广泛的应用前景。
通过投射光栅或编码图案，结合图像处理和计算机视觉算法，可以实现对物体表面的三维形状和尺寸的测量。
随着技术的不断发展，结构光三维测量技术在各个领域中将会有更广泛的应用。
基于编码结构光的三维测量技术研究
基于编码结构光的三维测量技术研究结构光三维测量技术作为一种非接触、主动式的三维测量方法,具有无损、高效、成本低、可靠性高等优势,被广泛应用在文物重建、医学影像、工业测量、模具制造等领域。
其中时间编码结构光法无需进行扫描,具有较高的测量效率,成为当前该领域的研究热点。
在三维测量技术中,编码图案的设计成为改进三维测量技术的主要突破点。
对此,本文主要通过对编码图案的设计来提高三维测量的测量速度及测量准确度,主要研究内容如下:(1)对三维测量系统的数学模型进行了分析研究,实现系统标定。
采用张正友标定法对摄像机进行标定;将投影仪视为逆向相机,首先求取投影点的射线方程以及平面方程,采用线面相交法求出投影点的空间三维坐标,然后采用与相机标定相同的方法完成投影仪标定。
通过对所提取角点进行重投影的方法来降低标定误差,所得标定结果满足测量精度需求。
(2)研究了二灰度级格雷码编解码方法和灰度二值化方法,在此基础上实现了多灰度级格雷码的编解码过程及图像灰度多值化处理。
分析了多灰度级格雷码的优缺点。
对三维测量常用的正弦相移编码法进行了分析,为了解决正弦相移解码过程的复杂性,研究了应用简单线性运算解码的梯形相移强度比法。
(3)针对传统的二进制格雷码结合正弦相移的编码方法投射图案多,解码复杂度高的问题,本文提出了多灰度级格雷码结合灰度梯形相移的编码方法。
该方法将格雷码投射的编码图案减少到一半,且解码方法更加简单,大大加快了测量速度。
本文首先采用四灰度级格雷码与三步梯形相移对称式组合编码方法进行三维测量,对解码中出现的周期错位现象进行了修正,分析了原理误差。
在此基础上,进一步提出了四灰度级格雷码与三步梯形相移非对称组合编码方法,从原理上消除了周期错位现象,并将格雷码固有的一位解码误差降低为一个强度比误差,提高了测量准确度。
并对投射的梯形强度比编码图案进行了灰度修正,减少了环境噪声的影响。
通过实际测量实验,验证了本文编码方法的可行性,证明了本文提出的编码方法具有投射图案少、测量准确度高、抗干扰能力强、测量速度快的优点。
结构光三维测量系统关键技术的研究的开题报告
结构光三维测量系统关键技术的研究的开题报告一、选题背景和意义目前，三维测量技术已广泛应用于工业制造、工程建设、精密制造、艺术保护等领域。
而结构光三维测量系统作为非接触式三维测量技术的一种，具有快速、精度高、无需触碰被测物等优势，已成为当前最为普遍和有效的三维测量技术之一。
结构光三维测量系统由投影系统、成像系统、配准系统、数据处理系统等几大部分组成。
其中，投影系统的关键技术包括光源、光斑形态、光斑移动方向等方面；成像系统的关键技术包括相机像素、通道数、校正等方面；配准系统的关键技术则包括基准面、模板匹配等方面。
这些关键技术的研究和优化，将直接影响到结构光三维测量系统的测量精度和稳定性，从而提高现代制造业和科学技术实践的精度和效率。
因此，本文将对结构光三维测量系统相关的关键技术进行深入研究和探讨，力求为现代制造业和科学技术实践的发展提供一定的理论支持和实践指导。
二、研究内容1.结构光三维测量系统基本原理和结构组成的研究2.结构光三维测量系统的关键技术进行详细研究和探讨(1)投影系统的关键技术研究：包括光源、光线方向、光斑形态等方面的探讨。
(2)成像系统的关键技术研究：包括相机像素、通道数、校正等方面的分析。
(3)配准系统的关键技术研究：包括基准面、模板匹配等方面的研究。
3.基于结构光三维测量系统的测量算法研究(1)基于迭代最近点算法（ICP）的三维点云匹配方法研究；(2)基于变分法的三维网格重建算法研究；(3)基于曲率分析的三维表面拟合方法研究。
三、研究方法和技术路线本课题的研究方法主要采用文献资料调研及实验验证相结合的方式。
调研已有的相关文献资料并理解其中的理论和技术，对结构光三维测量系统的基本原理和关键技术进行分析和综合；同时开展实验验证，比较和分析不同方案的实际测量精度及稳定性。
具体技术路线包括：1.结构光三维测量系统基本原理和结构组成的研究2.结构光投影系统的光源、光斑形态、光斑移动方向等关键技术的研究3.基于CCD相机的成像系统关键技术的研究4.基于机器视觉算法的三维匹配和重建技术研究5.基于提高测量精度和稳定性的方法优化结构光三维测量系统的测量方案6.编写结构光三维测量系统的软件程序并进行实验测试四、预期成果和意义1.深入研究和探讨结构光三维测量系统的关键技术和测量算法，为其实际应用提供一定的理论支持和实践指导。
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相位编码结构光三维测量技术研究
结构光(SL)技术由于其非接触,高分辨率,高速度和全场自动化的优点而被广泛开发用于三维(3D)测量。
条纹投影轮廓术(FPP)是三维测量中应用最广泛的结构光技术之一,例如逆向工程、工业检测、制造和机器人导航。
FPP系统将条纹图投影到被测物体上,并记录被物体调制后的变形条纹图,然后利用特定的条纹分析方法,使用处理/分析系统从记录的图像中计算出调制相位。
提取相位的准确性直接影响被测物体的三维重建结果。
本论文旨在提高基于相位编码结构光的三维测量系统的性能,力图为条纹投影轮廓术拓宽实用范围奠定理论基础。
针对投影仪非线性Gamma标定和矫正、分段量化相位编码方法和基于N步相移的三维测量方法等关键问题进行如下研究工作:1、研究了传统相位编码方法及其一系列改进方法。
码字在基于相位编码的相位解包裹方法中具有重要意义,每个相位编码条纹用一个唯一的码字标记,然后用于确定条纹级次。
然而,传统的相位编码方法相邻码字之间的差值为1,相邻码字之间的差值过小。
由于系统的非线性效应和离焦影响,在高频条纹情况下条纹级次的计算容易产生误差,从而导致相位展开误差。
传统相位编码方法受到码字数量的限制,导致条纹数量不能过大,影响其测量精度。
2、数字条纹的正弦性是影响测量精度的一个主要因素。
在数字投影相移法中,相位误差主要来源于条纹图像的非正弦性,而条纹图像的非正弦性是由于商用投影仪的非线性Gamma效应产生的结果。
为此,本文在研究对比分析了各种方法的基础上,采用七阶多项式对投影和成像系统进行建模,确定投影仪非线性Gamma的反函数。
并以此生成待投影的预矫正正弦条纹,最终成像系统可以捕获理想正弦条纹。
3、为了使相位编码方法的条纹级次计算更准确,同时也为了提高其测量精度,本文提出了一种基于分段量化相位编码的三维测量方法,在不减小相邻量化相位值之间的差异或提高量化等级的情况下实现绝对相位恢复。
量化相位由特定的编码序列S“135246”进行调制,然后将其嵌入到相位编码条纹图中,这大大提高了解码的精度。
编码时将整个区域分成多个子区域,每个子区域嵌入上述编码序列S,通过相应的解码算法计算出条纹级次,最终得到绝对相位。
4、减少条纹投影轮廓术的条纹图数量一直是本领域的研究热点。
相位编码方法或其他时域相位展开算法通
常需要额外的条纹信息来计算条纹级次,从而导致过多数量的条纹图案。
从减少条纹图数量这个角度出发,本文提出一种基于N步相移的三维测量方法。
该方法仅需要N步标准相移正弦条纹图案来完成绝对相位计算。
首先,利用标准相移算法计算包裹相位和消除背景的掩膜Mask;然后,直接利用包裹相位和Mask,根据连通域标记算法计算条纹级次,进而求得绝对相位。
该方法最少只需3幅条纹图,就可以完成三维测量,且数据处理速度快。