条纹测光立体方法提高了三维表面测量的速度和精度
发布时间：2024-10-25 13:25:23 阅读数： 97
研究人员开发了一种更快、更准确的方法来获取和重建高质量的3D表面测量。新的条纹测光立体方法需要较少的保护条纹图案，从而加快了扫描过程
研究人员已经开发出一种速度更快且更准确的方法来获取和重建高质量的 3D 表面测量结果。该方法能够极大地提升用于工业检测、医疗应用、机器人视觉等领域的表面测量的速度与准确性。“传统的 3D 成像是通过比较两个视点来实现的，这类似于我们的眼睛判断深度的方式。” 来自中国电子科技大学的研究小组负责人朱策（Ce Zhu）说道，“相比之下，我们的新方法是通过投射光模式来‘感知’表面，几乎就像把手放在表面上检测变化一样。这种方法能够减少三分之二以上的图案使用，从而极大地加快扫描过程，令人惊讶的是，它甚至比旧技术更加准确。”
在《Optica》上，研究人员介绍了他们新的条纹光度立体方法，并证明该方法能够实现高帧率和微米级精度，同时将噪声方差降低一半。朱策说：“我们的方法非常适合需要实时扫描的应用，包括工业应用，例如检测印刷电路板、电池或输油管道的缺陷，以及医疗程序，如诊断和植入定制。”“它还能够通过改善人机交互或者为叠衣服等任务提供视觉指导来推动机器人技术的发展。”更快的获取时间精确的三维表面测量和重建通常采用条纹投影轮廓术方法，也就是相移轮廓术。使用这种方法时，一系列相移光模式会被投射到物体表面。然后捕获反射图像，并分析相位差，以此创建高精度的表面 3D 地图。
传统的相移轮廓法需要投影多个条纹图案和分析大量图像，导致扫描时间长。相比之下，新方法（下图）大大减少了所需的帧数，使过程更快，更准确
然而，这种方法在很多应用中并不适用，原因是其扫描时间过长，而这主要是由于分析相位差需要大量的多频条纹图像。这一步骤利用三角测量来获取相位数据，这些数据被限定在特定范围内，然后将其转换为连续值，从而能够精确地表示形状或表面。在这项新的研究工作中，研究人员开发出一种避开这一过程的方法，仅使用一个频率就能大幅减少所需的条纹图像数量。
为测试他们新的条纹光度立体技术，研究人员搭建了一个实验系统，该系统由一个配备 8 毫米镜头的 1280×960 相机以及一个分辨率为 912×1140 的投影仪组成。他们运用这种装置对单个物体以及具有连续表面的物体组进行测量，其中包括人手、纸面具、布玩具、石膏几何形状和粘土手工艺品。他们还使用标准平面和球体模型对该方法进行了验证，结果表明与传统的条纹投影轮廓术相比，它能有效地抑制噪声。创造更好的假肢“这种新方法的一个特别有用的应用是定制假肢，” 朱说，“它能够快速获取残肢的高精度表面信息，减少人工测量的误差，进而提高假肢的配合度。这也将省去在皮肤上涂抹石膏或其他材料的必要，使患者的体验更加舒适。”尽管该方法目前能够提高具有连续表面的场景的扫描速度和精度，但在深度突然变化的情况下重建物体的深度依然具有挑战性。研究人员正在致力于解决这一局限，将现有的表面重建技术从光度立体结合到他们的方法中。这将使更广泛的有前途的应用以及对更复杂场景的分析成为可能。
