基于数字条纹投影的在线深度获取技术

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深度获取是工业在线三维检测的一个重要环节，由于具有非接触、高精度、全场分析、设备简单、易实现自动化控制等优点，基于条纹投影的深度获取技术在在线三维检测领域存在巨大的应用前景。本书从数字条纹投影技术在在线深度获取系统中的应用问题出发，系统地阐述了基于不同相位算法的深度重建原理，并从优化系统模型、改进条纹编/解码方式等角度，论述了具体的提高系统深度重建精度的方法。本书的研究内容对在线深度获取系统和在线三维检测系统的研发及批量化生产具有重要的理论指导价值，实验数据具有重要的参考价值。本书可以作为光信息、电子信息、计算机类等相关学科教师和学生的参考用书，也可供相关工程技术人员参考阅读。

武迎春，女，1984年生，博士，副教授，硕士研究生导师。2013年于四川大学电子信息学院光学工程专业获博士学位，主要研究方向包括3D面型重建、3D视频获取、光场信息获取及处理等。国际光学工程学会（SPIE）会员、中国光学学会会员、"2D、3D视频通信与图像识别”山西省科技创新团队核心成员、山西省1331工程重点创新团队成员、山西省互联网+3D打印协同创新中心成员，《光电子激光》、《光电工程》等期刊审稿人。主持国家自然科学青年基金1项、省自然科学青年基金1项，参与国家、省部级项目6项。发表学术论文30余篇，其中第一作者发表SCI/EI 论文8篇。申请国家发明专利7项，已授权3项。

目录 第1章 绪论 1 1.1 在线检测简述 2 1.2 国内外主要光学深度获取技术 3 1.3 基于数字条纹投影的深度获取基本原理 8 1.3.1 面结构光的产生 9 1.3.2 相位计算 10 1.3.3 相位展开 12 1.3.4 深度计算 16 1.3.5 深度校准 19 1.4 本书的研究内容及章节安排 20 第2章 基于条纹投影的在线深度获取系统模型 22 2.1 在线深度获取系统模型 23 2.2 经典解相算法在在线深度获取系统中的应用 24 2.2.1 相位测量轮廓术（PMP） 24 2.2.2 Stoilov算法 29 2.2.3 满周期等相移算法 31 2.2.4 傅里叶变换轮廓术（FTP） 32 2.2.5 空间载波相移法（SCPS） 32 2.2.6 正交复合光PMP 34 2.3 本章小结 36 第3章 投影条纹非等周期修正 37 3.1 投影条纹非等周期修正的意义 38 3.2 投影条纹修正依据 39 3.3 主动修正投影条纹流程 40 3.3.1 初值的确定 40 3.3.2 迭代流程 41 3.4 实验验证 42 3.5 本章小结 46 第4章 正交双频条纹投影的在线深度获取 47 4.1 投影系统设计背景 48 4.2 深度获取原理 49 4.2.1 条纹图的编码 49 4.2.2 调制度提取 49 4.2.3 相位计算 50 4.3 计算机仿真与实验结果 51 4.4 本章小结 58 第5章 任意相移最小二乘法迭代的在线深度获取 59 5.1 最小二乘法迭代相位计算引入背景 60 5.2 相位计算中的迭代过程 61 5.3 收敛判断 64 5.4 计算机仿真与实验 64 5.5 本章小结 72 第6章 复合光傅里叶变换轮廓术的优化 73 6.1 复合光傅里叶变换轮廓术（CFTP）原理 74 6.2 基于背景光调制的CFTP 75 6.2.1 基于背景光调制的CFTP原理 76 6.2.2 与传统CFTP的比较 77 6.2.3 解调后背景光的校准 79 6.2.4 计算机仿真与实验验证 79 6.3 基于双频调制的CFTP 83 6.3.1 条纹编码原理 84 6.3.2 相位解调 84 6.3.3 优点讨论 86 6.3.4 数值模拟与实验验证 86 6.4 本章小结 93 参考文献 95

"前言 以科技为第一生产力的今天，生产效率早已实现质的飞跃，作为现代工业的重要标志，流水线生产已成为制造业的主流。流水线生产的突出特点为劳动分工精细、生产效率高。它的出现使大规模批量化生产成为可能，不仅满足了人们日益增长的物质需求，还对世界经济的增长起到了不可替代的作用。随着改革开放的进一步深化，我国制造业空前发展，并已享有“世界工厂”的美誉。在国家“十二五”规划中，更是进一步明确了我国制造业将由制造大国向制造强国转变的思路，而其中的关键在于自主创新能力的提高。因此，作为制造业的载体，流水线技术的创新也必定受人瞩目。 随着市场竞争的日益激烈和科技生产水平的迅猛发展，为了使流水线产品生产的各个环节达到工作质量标准要求，保证最终的产品质量和工厂的经济效益，先进测控及优化测控技术被纷纷应用于工业流水线生产过程中。然而，无论是在对产品质量的直接监测、控制过程中，还是在先进检测、控制技术的应用过程中，普遍存在的问题就是难以对产品的质量参数进行在线实时检测。受工艺、技术或经济条件的限制，传统的硬件传感设备难以甚至无法对部分重要的质量指标进行实时在线检测。对于流水线上生产的产品，常用的方法是定时离线分析或定时在线人工检测，进而根据测量值来指导生产。这些方法存在时间滞后大、生产连贯性差等问题，有时也不可避免地使检测人员处于恶劣的工作环境中，已不能满足当前的检测要求。高速、高精度的检测手段成为新型检测方法的必然要求，同时自动化、智能化成为其发展的趋势。在线检测在这样的背景下逐渐发展起来，已成为现代过程控制和流程工业领域的关键技术之一，它的成功应用将极大地推动各种先进控制策略和在线质量控制策略的有效实施。 在线三维检测是在线检测的一个重要分支，它以工件的三维尺寸、形状为测量目标，是制造行业（如五金、塑胶、模具、螺丝、金属配件、橡胶、PCB、塑料等）加工过程中不可缺少的过程控制环节。目前，常用的三维检测方法主要分为接触式和非接触式，测量机理主要以光学、机械、电磁学、声学为主。由于具有非接触、全场测量、精度高、对噪声不敏感、计算简单等优点，光学三维传感受到各个应用领域的普遍关注。光学三维传感中x、y方向信息的获取一般采用摄像机标定，z方向信息（深度信息）的获取常采用激光扫描、立体视觉、结构光等技术，具体技术的选择受测量精度及测量环境的限制。 本书从深度获取精度的要求出发，结合流水线上被测物体的平动特点，以正弦条纹为照明光源，研究基于数字条纹投影的在线深度获取技术。全书系统地分析了将相位测量轮廓术（PMP）、复合光傅里叶变换轮廓术（CFTP）用于在线深度获取系统时，照明方式、像素匹配、相位计算、频谱混叠等因素对检测精度的影响，主要从改变投影条纹编码方式和改进相位计算方法等方面，研究了提高系统深度重建精度的方法。本书的研究内容对在线深度获取系统和在线三维检测系统的研发及批量化生产具有重要的理论指导价值，实验数据具有重要的参考价值。 感谢四川大学光电系曹益平教授、山西省互联网+3D打印协同创新中心、山西省1331工程重点创新团队、山西省科技创新团队（201705D131025）对作者研究工作的支持，同时感谢国家自然科学基金青年基金（61601318）、山西省青年科技研究基金（201601D021078）、山西省重点学科建设经费、太原科技大学博士启动基金（20132023）对相关研究工作的资助。 因实际生产环境的多样性及测量技术指标要求不同，本书所提技术的推广还存在需要进一步研究探讨的地方。由于作者学识水平有限，本书难免存在不足之处，恳请同行专家、学者和广大读者给予批评指正。 作 者 2018年10月"