基于时间相位解包裹的条纹投影三维测量方法研究
条纹投影测物体三维轮廓_实验总结
插值法求得：
a b c d
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数据处理：测路桩
1、同样的方法对路桩解相位
2、相位补偿：
以0级条纹为基准，对路桩纵向依次补偿： %解相位 RFILZ=(unwrap(FILZ.*2,[],2))./2; for i=201:400 j=fix((i+443)./4); RFILZ(i,:)=RFILZ(i,:)-abs(fix((RFILZ(i,j)+37)./pi))*pi; end
台阶高度：42mm
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误差分析
路桩圆锥角测量值：
非线性：angle = 28.5935 deg 线性：angle = 29.1314deg
实际值：40deg 绝对误差：e1 | 40 28.6 | 11.4 deg
e2 | 40 29.1 | 10.9 deg
结论： 线性拟合与非线性拟合的结果误差都比较大， 但两者本身相差很小。 误差大的可能原因： 1.30的条纹较粗，本身精度差。 2.x,y横向标定的方法比较粗糙，人眼读数误差较大。 3.没有去除噪音的预处理。 4.其他：解算相位的算法可能不准。。 18
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数据处理：测路桩
3.得到的各点相位后，代入标定式：
非线性：
M N z P 1
线性：
x a z b y c z d x a z b y c z d
z M N
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数据处理：测路桩
4.拟合各个高度的圆，并计算圆锥角 j=100处的圆拟合：
12.5% 相对误差： 1 2 5%
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谢谢!!
20
2.在z=0 10 20 30 40 50 60 mm 七个位置分别进行4步移向并拍照，共得28张图
条纹投影三维测量相位展开方法
由于时间相位展开方法并不在 二维相位图中寻找展开路径，而 是沿着时间轴分别对每一个像素 进行相位展开，从而实现了各像 素点相互独立的相位展开，因此， 边界以及信噪比较低区域不会影 响其它较好的数据点，也即从算 法上避免了空间相位展开中误差 传播的发生。
条纹投影三维测量 相位展开方法
条纹投影三维测量的流程
• 对投影到被测物体表面的条纹图进行采集 • 通过计算采集到条纹图上点的相位得到折叠相位
图(方法:相移法、傅里叶变换法、小波变换法等) • 将折叠相位图展成展开相位图(方法:空间相位展开、
时间相位展开、相位跟踪等) • 通过已标定好的系统根据展开相位图得到采集的
5. BurtonnadLalor提出的多频傅里叶条纹分析法要求 向物体表面基于时间相位展开的三维轮廓测量研究投 射多于一种频率的条纹，这些频率条纹的不同空间频 率带宽可使它们在傅里叶变换的频域中完全分开，因 此从本质上来说，它也是时间相位展开方法。
时间相位展开的应用前景
时间相位展开方法的主要优点是简单，并且可以 很容易准确测量表面不连续物体的轮廓；它不仅可 用于静态物体的轮廓测量当中，还可以用于物体实 时动态测量，即实时的相位展开。
PU算法大体上分为两大类：空域相位展开和时域 相位展开。
空域展开只采用一幅折叠相位图，通过分析空域相 邻元素之间的相位值，根据相位连续性适当调整折 叠相位值，恢复出连续的相位分布；而时域相位展 开是将不同分辨力的折叠相位图沿时间轴展开。空源自相位展开一维空间相位展开的过程
条纹投影三维测量的若干关键技术的研究
条纹投影三维测量的若干关键技术的研究三维测量技术是一种关键的机器视觉技术,它在逆向工程、图像识别、人工智能、虚拟现实以及生物医学等方面都有着重要的应用。
其中传统的接触式三维测量存在测量耗时长、弹性材料测量受限等缺点,因此无法满足工业生产的需要。
条纹投影的三维测量技术是一种非接触式的方法,这种测量技术具有效率高、测量准确的优点,因此成为了三维测量领域研究的热点。
本文针对条纹投影中的一些关键技术展开研究,比如基于相位匹配的多传感器三维测量系统、大视场的三维测量系统以及3D点云配准等若干关键技术,并对这些技术进行了分析和总结,本文的主要内容如下:1.介绍了条纹投影三维测量技术的基本原理以及国内外研究现状,阐述了PMP(相位测量轮廓术)、格雷编码、摄像机成像模型,以及对获取到的3D点云数据处理的基本方法。
2.由于单传感器测量范围的限制,多传感器测量系统逐渐成为获取物体完整3D面型的重要的方法。
然而,传统的多传感器测量系统,它们相互之间的系统标定是分开的,整个测量系统的标定耗时长、操作复杂,不能满足现场标定的需求。
针对传统方法的不足,本文提出了一种基于相位传递的多传感器测量系统,每套测量系统的标定相互关联,并且在完成整个系统标定后,每套测量系统获得的3D点云数据无需再次配准,自动转化到统一的坐标系下,实现3D点云的全局配准。
3.为了能够满足大视场三维场景的测量需求,我们设计了两套三维数据采集系统,第一套采用了一种线结构光旋转扫描的方法来获取室内环境的3D点云数据,该系统能够实现360度场景的测量,但是测量速度慢、效率低。
第二套则是利用鱼眼镜头具有宽视场角和大景深的优势,来实现双目立体视觉的大视场三维测量,但是由于镜头本身的特性,基于小孔成像模型的双目立体视觉3D测量方法不再适用于鱼眼镜头模型。
因此,本文提出了一种基于球面模型的双目立体视觉测量系统,将测量物体的所在的世界坐标直接地转化到单位球面坐标系,由于采用球面模型代替了平面透视投影模型,因此测量系统的FOV(视场角)不再受限。
条纹投影相移三维形貌测量技术
条纹投影相移三维形貌测量技术
近日，中国科技网·科技日报，中国新闻网等媒体报道合肥工业大学仪器科学与光电工程学院卢荣胜教授科研团队提出了一种全新的反向误差补偿方法，实现了物体三维形貌测量的精度和效率的大幅提升，成果刊发于日前出版的权威学术期刊《光学学报》第四期上，并入选当期封面故事和优秀论文。
条纹投影相移三维形貌测量技术，主要使用数字投影仪将条纹投射至被测物体表面，经图像传感器采集被物体调制的条纹图像后获取每个像素组成的主值（包裹）相位图和解包裹相位图，计算获得被测物体的三维形貌信息。
目前普遍采用的主动、被动和反向三种相位误差补偿方法，各自存在着精度仍受系统参数、标定方法和使用环境影响等不足。
测量过程中易发生相位解包裹困难、测量精度降低、物体形貌的细节被掩盖或信息丢失等情况。
科研人员研究发现，在向被测物体投影与最高频率相同且具有一定相移量的补偿相移条纹时，获得的两幅主值相位图中相位误差存在大小相等、方向。
时间相位解包裹算法仿真与实验研究
［- 77,77］之间⑸，要得到真实的相位值需要进行相位解包 裹，目前，相位解包裹方法主要可分为空间相位解包裹和时 间相位解包裹两大类⑹，空间相位解包裹只能对轮廓简单且 高度过渡较小的物体实现相位展开。时间相位解包裹通过 投影不同频率的光栅图像来进行相位展开，其中，基于多频 外差原理的方法测量精度较高，得到了广泛的应用，但是直 接通过多频外差法求得的相位存在跳跃性误差，需要进行误 差校正⑺。因此多种相位误差补偿方法和抑制跳跃性误差 方法被提出W本文主要通过对改进的三频相位解包裹算 法进行仿真和实验研究，证明了该方法的有效性。
ABSTRACT: In order to improve the accuracy of object three 一 dimensional contour reconstruction based on coded grating, and to eliminate phase jump error of multi - frequency time phase unwrapping algorithm, in this paper, an improved three 一 frequency phase unwrapping algorithm is used to achieve accurate phase unwrapping through the re lationship between phase and grating pitch. Compared with the traditional method, the method proposed in this paper has higher accuracy. The simulation results show that the method has no jumping error in phase unwrapping, no phase correction, no 277 periodic error in the case of large disturbance, and reduces the non 一 linear error of phase unwrapping. Simulation analysis shows that the method can achieve high accuracy 3D reconstruction of objects. KEYWORDS:Structured light； Phase unwrapping；Multifrequency phase； Profilometry
基于时空条纹图法的相位提取技术及其应用研究
基于时空条纹图法的相位提取技术及其应用研究近30年来,伴随着电子工业和计算机技术的飞速发展,条纹图相位提取技术被广泛应用于激光干涉测量、结构光面形测量等检测设备中。
然而,随着被测件种类的增加以及应用场合的扩大,这些设备在硬件更新的同时对算法的相位提取能力也提出了要求。
时空条纹图(Spatio-temporal fringes,STF)法是近年来提出的一种相位提取技术,该技术将N步移相条纹图通过交叠重构的排列方式重组为一幅新的条纹图,重组条纹图同时包含了空域相位信息和时域移相信息,因此被称为STF图,通过此STF图便可求取原始移相条纹图相位。
本文主要工作是研究STF图法相位提取技术的优点,分析其局限性并提出相应的改进算法,使其能够应对条纹图相位提取过程中所面临的随机噪声、谐波噪声和移相误差等多种干扰问题。
研究了 STF图法相位提取技术在随机噪声抑制以及谐波抑制方面的特性,得到用于构建STF图的移相条纹图数目越多,其谐波抑制能力越强的结论。
将该技术应用到相位偏折术测量中,消除了相位复原结果中的随机噪声。
将加窗傅里叶变换技术引入到STF图法相位提取过程中,使得测量精度提高了 2～3倍。
另外,针对多数条纹图并非标准矩形而导致边缘处相位复原结果误差较大的现象(边缘效应),研究了基于二维傅里叶变换迭代和基于样本块的条纹图延拓技术。
其中,针对二维傅里叶变换迭代条纹图延拓时运算效率低的问题,提出了一种改变滤波窗口大小的解决方案,使得迭代效率提升近10倍。
提出了一种改进的STF(Advanced spatio-temporal fringes,ASTF)图法相位提取技术。
该技术将移相条纹图本身的线性载频量作为一个参数添加到移相条纹图的移相步进量中。
改进方法在处理含有线性载频的移相条纹图时,能够消除按传统方法构建的STF图频谱中信号谱周围的干扰频谱,因此可以选定较宽的滤波窗口来完整地对信号谱进行提取。
研究了ASTF图法的谐波抑制特性,并将此特性应用到条纹投影三维面形测量系统中,有效抑制了系统Gamma效应给相位提取结果带来的干扰。
时间相位解包裹方法在三维形貌测量系统中的应用
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大学物理实验实验条纹投影三维测量介绍课件
实验结果分析难度较大：实验结果需要进行复杂的数据处理和分析，难度较大
实验改进方向：提高仪器精度，优化实验方法，缩短实验时间，降低实验环境要求，提高实验结果的可重复性和准确性。
谢谢
调整相机参数：设置相机的曝光时间、光圈大小、ISO等参数，确保拍摄效果清晰
调整投影参数：调整投影机的焦距、亮度、对比度等参数，确保投影效果清晰
调整测量参数：设置测量软件的参数，如测量范围、精度等，确保测量结果准确
采集实验数据
准备实验器材：激光器、透镜、CCD相机等
调整实验参数：激光功率、透镜焦距等
采集实验数据：拍摄实验图像，记录数据
分析实验数据：使用图像处理软件分析图像，获取条纹信息
计算实验结果：根据条纹信息计算三维坐标
验证实验结果：与理论值进行对比，验证实验结果的准确性
数据处理与分析
数据处理方法
平均法：对数据进行平均，以减少误差
1
加权平均法：根据数据的重要性进行加权平均，以提高精度
2
标准差法：计算数据的标准差，以衡量数据的离散程度
相机：捕捉条纹图像
计算机：处理图像，计算三维数据
显示器：显示三维数据结果
控制电路：控制实验过程
测量设备：测量实验结果
安全设备：保护实验人员安全
实验步骤
准备实验器材
激光器：产生激光光源
投影仪：将激光投影到屏幕上
计算机：处理图像数据，进行三维测量分析
相机：拍摄投影图像
调整实验参数
调整光源强度：根据实验需求，调整光源的亮度和色温
03
实验结果的实际应用及意义
04
实验拓展与应用
实验拓展方向
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基于时间相位解包裹的条纹投影三维测量方法研究三维测量技术影响着生活方式、生产方式,其中具有非接触、快速、高精度、低成本、操作简单等优点的数字条纹投影三维形貌测量技术,更是成为了研究的热点,在快速测量、工业检测、质量控制、虚拟现实、反向工程、生物医学等领域被广泛应用。
随着生活质量的提高、工业生产的发展,对数字条纹投影三维形貌测量技术的要求越来越高,期望能够更快速,更高精度的测量。
在数字条纹投影三维形貌测量技术中具有较高的可靠性和测量精度的是基于时间相位解包裹方法的条纹投影测量技术。
但是,该方法投影和采集的条纹图数量较多,处理的数据量大、测量时间较长,无法进行快速、实时和动态测量。
本论文针对基于时间相位解包裹方法的条纹投影测量技术实现快速,高精度测量的关键问题展开研究。
1.详细研究线性增长法、拟合指数法、拟合负指数法时间相位解包裹方法的原理,这些方法需要采集和处理大量的数据,测量速度慢。
基于此,本文提出一种如何减少数据获取时间的方法。
该方法在四步相移条纹的基础上增加了两幅条纹图,六幅条纹图可以得到一个包裹相位和一个辅助相位,利用两相位间的联系能够得到一个频率是包裹相位一半的新的包裹相位。
也就是说,该方法的一套条纹可以得到两个不同频率的包裹相位。
拟合指数法、拟合负指数法需要log<sub>2</sub> s（s为条纹的最大周期数）套条纹,在采用四步相移的情况下,则需要4log<sub>2</sub> s幅条纹图。
而本方法需要3log<sub>2</sub> s,减少了log<sub>2</sub> s幅条纹图,可以缩短投影和采集时间、数据处理时间,一定程度上提高测量速度。
通过实验证明了该方法的可行性。
2.详细阐述了双频外差法和三频外差法的原理,并分析了每种方法的不足。
双频外差方法中相位主值的误差限制了使用高频条纹进行高精度的测量,三频外差方法,虽然可以使用高频条纹,但是两次的外差操作会放大主值相位的误差,可能会造成外差相位不够准确,进而会使展开的连续相位出现跳跃性误差。
结合现有的研究成果,提出了双频外差结合相位编码的相位解包裹方法。
通过相位编码条纹展开外差后的相位,外差相位的周期不用覆盖整个视场,从而打破了相位主值误差对高频条纹的限制,而且只进行一次外差,不会出现放大主值相位的误差造成连续相位跳变的情况。
通过对比实验,验证了方法的可行性和有效性。
3.利用设计的条纹,提出一种新的时间相位展开方法。
该方法只需要6幅条纹图,并且算法简单,方法的有效性和可行性通过实验得到了验证。