基于外差干涉投影的動(dòng)態(tài)三維成像.pdf

1、動(dòng)態(tài)表面的三維成像對(duì)人們的生產(chǎn)與生活具有重要意義，諸多光學(xué)三維成像方法中，相位輔助的三維成像具有精度高、數(shù)據(jù)密度大和數(shù)據(jù)采集的全場(chǎng)實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，是一種極具潛力的動(dòng)態(tài)表面三維成像方法。
　　本論文根據(jù)相位輔助三維成像的基本原理和動(dòng)態(tài)表面三維成像的特別需求，針對(duì)條紋投采、三維重建、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、系統(tǒng)簡(jiǎn)化等多個(gè)方面展開(kāi)研究，構(gòu)建了基于外差干涉條紋投影的動(dòng)態(tài)表面三維成像系統(tǒng)并發(fā)展了與之相關(guān)的一系列方法。論文概述了動(dòng)態(tài)表面光學(xué)三維成像的典型技術(shù)

2、以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了相位輔助三維成像的基本原理，重點(diǎn)對(duì)相位輔助動(dòng)態(tài)表面三維成像所涉及的核心問(wèn)題—高速條紋投采和幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)行了分析研究。
　　對(duì)基于相位輔助的動(dòng)態(tài)表面三維成像而言，條紋投采的速度和條紋圖序列的長(zhǎng)度是影響三維成像動(dòng)態(tài)表現(xiàn)的首要因素。為了提高條紋的投采速度，建立了基于馬赫澤德干涉儀結(jié)合雙聲光偏轉(zhuǎn)器的時(shí)間外差干涉系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)進(jìn)行條紋投影具有很高的相移速度上限和較大的結(jié)構(gòu)照明景深，投影與采集之間

3、的同步通過(guò)聲光偏轉(zhuǎn)器射頻信號(hào)與相機(jī)觸發(fā)信號(hào)的倍頻關(guān)系實(shí)現(xiàn)而無(wú)需同步電路控制。為了減小幀間運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響，利用三相機(jī)之間的極線(xiàn)約束關(guān)系，僅通過(guò)四步相移所獲得的折疊相位確定同名點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系并重建深度像，減少了三維成像需要的條紋圖序列長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)證明，該方法對(duì)動(dòng)態(tài)表面具有較好的成像效果。
　　對(duì)四步相移算法的靈敏度分析表明，深度像重建誤差的主要來(lái)源是幀間運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的相位畸變。對(duì)幀間運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的相位編碼變化進(jìn)行了定性和定量分析，討論了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)相

4、位編碼變化的影響。對(duì)于較大的深度像重建誤差，提出了一種運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償算法，在合理的假設(shè)下估計(jì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的相移誤差并由此修正相位。通過(guò)陶瓷標(biāo)準(zhǔn)球與陶瓷平板的深度像重建與修正結(jié)果驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)誤差分析的合理性和運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)挠行浴?br>　　在基于三相機(jī)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，只有被所有相機(jī)視場(chǎng)和干涉場(chǎng)同時(shí)覆蓋的區(qū)域才能進(jìn)行深度像重建，在很大程度上影響了深度像的完整性。為了提高三維成像的效率，提出了基于雙相機(jī)結(jié)合運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)約束的深度像重建，利用干涉場(chǎng)等相位