亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        顯微條紋投影小視場(chǎng)三維表面成像技術(shù)綜述

        2021-06-15 09:08:26王永紅王歡慶
        中國(guó)光學(xué) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:投影儀視場(chǎng)條紋

        王永紅,張 倩,胡 寅,王歡慶

        (合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

        1 引 言

        隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展,器件不斷向著小型化、精密化、集成化的方向發(fā)展,具有代表性的集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)等得到廣泛應(yīng)用,快速精確地獲取微型器件表面信息并進(jìn)行缺陷檢測(cè)對(duì)于集成電路和MEMS等產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的基于一維信號(hào)或二維圖像的檢驗(yàn)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量的要求,快速準(zhǔn)確地對(duì)3D微結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行定量分析和表征成為工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要一環(huán)。基于光學(xué)成像的三維測(cè)量技術(shù)因具有高魯棒性、高效率、全場(chǎng)性、非接觸、易操作和高精度等優(yōu)勢(shì),普遍應(yīng)用于逆向工程、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、文物保護(hù)、仿生工程、虛擬現(xiàn)實(shí)等眾多領(lǐng)域[1]。

        目前,三維測(cè)量技術(shù)朝著兩個(gè)方面發(fā)展:一是面向機(jī)械裝配與制造的大尺寸、超大尺寸的三維形貌測(cè)量;另一方面,隨著微光學(xué)、微流體技術(shù)和芯片實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的微系統(tǒng)的發(fā)展,工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品更加精確化和小型化。針對(duì)測(cè)量尺寸在毫米級(jí)及以上的微結(jié)構(gòu)物體,研究者們使用了很多無(wú)損測(cè)量方法,如數(shù)字全息照相術(shù)[2],白光干涉法[3],光纖探針?lè)╗4]和共聚焦顯微鏡干涉法[5]等,可以達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)別的測(cè)量精度,測(cè)量范圍在亞毫米、微米或亞微米尺度。但是這些方法大多基于光學(xué)干涉測(cè)量,要求測(cè)量系統(tǒng)有穩(wěn)定的光學(xué)結(jié)構(gòu)和高精度的機(jī)械部件,且有些方法僅適用于定性觀察,不適合于定量評(píng)估?;诠鈱W(xué)三角法的顯微條紋投影輪廓測(cè)量技術(shù)(Microscopic Fringe Projection Profilometry,MFPP)[6]測(cè)量靈活度及效率較高,可以達(dá)到微米級(jí)測(cè)量精度以及毫米級(jí)的測(cè)量視場(chǎng),適用于絕大部分工業(yè)微型器件的測(cè)量。

        由于被測(cè)物體視場(chǎng)小,與傳統(tǒng)的條紋投影測(cè)量輪廓術(shù)(Fringe Projection Profilometry,F(xiàn)PP)系統(tǒng)相比,MFPP系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)需要額外的光學(xué)設(shè)計(jì)使視場(chǎng)縮小。通常借助體視顯微鏡或長(zhǎng)工作距鏡頭(Long Working Distance Lens,LWD)來(lái)減小投影和成像的視場(chǎng)。1994年,Leonhardt等[7]借助體視顯微鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)微結(jié)構(gòu)物體的成像和定量分析,證明MFPP系統(tǒng)可以成像在體視顯微鏡中。2001年,Quan等[8]使用兩個(gè)長(zhǎng)工作距離鏡頭實(shí)現(xiàn)投影儀投影視場(chǎng)的縮小和成像光路微結(jié)構(gòu)的放大,并且該裝置能夠自動(dòng)校準(zhǔn)誤差。前期研究工作側(cè)重于系統(tǒng)的構(gòu)建,包括元件的選取和系統(tǒng)集成等。系統(tǒng)產(chǎn)生條紋圖案所使用的元件主要有物理光柵[9]、有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)[10]、液晶顯示(Liquid Crystal Display, LCD)[11]、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)[9]和數(shù)字微鏡(Digitial Micromirror Devices, DMD)[12]等。但是物理光柵的制作精度要求較高,且依靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相移容易造成相移誤差,系統(tǒng)靈活性被限制;液晶材料易受溫度影響,OLED和LCD技術(shù)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度的損失;DMD芯片的每個(gè)像素通過(guò)機(jī)械地改變反射鏡的角度來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉,需要精密的光路設(shè)計(jì)。對(duì)于早期的MFPP系統(tǒng),其光學(xué)結(jié)構(gòu)需要加入額外的透鏡構(gòu)建投影縮小光路,因此結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,測(cè)量靈活性被限制,相應(yīng)的系統(tǒng)配置和相關(guān)的測(cè)量理論需要不斷改進(jìn)。

        近年來(lái),隨著數(shù)字光處理(Digital Light Processing, DLP)技術(shù)的發(fā)展,投影設(shè)備更加智能化、小型化,MFPP技術(shù)又得到了新的發(fā)展。本文分析和綜述了基于結(jié)構(gòu)光的MFPP三維測(cè)量方法的結(jié)構(gòu)原理及標(biāo)定技術(shù),詳細(xì)介紹了兩類MFPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,對(duì)于測(cè)量過(guò)程中由于小視場(chǎng)結(jié)構(gòu)及被測(cè)器件特性導(dǎo)致的反光問(wèn)題做了詳細(xì)論述,并對(duì)MFPP系統(tǒng)在微結(jié)構(gòu)測(cè)量領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

        2 條紋投影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 顯微條紋投影測(cè)量系統(tǒng)

        MFPP測(cè)量光路采用光學(xué)三角法模型,由相機(jī)光心、投影儀光心、物體表面待測(cè)點(diǎn)構(gòu)成交叉光軸式結(jié)構(gòu),通過(guò)此結(jié)構(gòu)獲取物體的三維信息。投影儀將具有不同頻率和相位值的正弦條紋按順序投影,相機(jī)記錄被物體表面扭曲的條紋,計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)圖像分析得到調(diào)制相位。

        圖1為光學(xué)三角法測(cè)量原理圖,圖中被測(cè)物置于XOY的參考平面上,Z方向代表物體的高度方向。其中OC、OP分別為相機(jī)和投影儀的光心,P為物體表面任意一點(diǎn),P′為點(diǎn)P在參考面上的投影。d為相機(jī)與投影儀光心間的幾何距離,L為投影儀光心到參考面的垂直距離。

        圖1 光學(xué)三角法測(cè)量原理圖Fig. 1 Principle diagram of optical triangulation projection measuring system

        假設(shè)有一光束投射到被測(cè)物表面,由于被測(cè)物的存在,在相機(jī)的圖像中,原本投影在B點(diǎn)的光束移動(dòng)到了新的位置A點(diǎn) 。AB之間的距離和被測(cè)物之間的信息h相關(guān),根據(jù)三角形相似的幾何關(guān)系,有:

        其中,p是 條紋間距, φAB包含與被測(cè)表面高度相關(guān)的相位信息。

        相位信息求取常用傅立葉變換輪廓術(shù)(Fourier Transform Profilometry,F(xiàn)TP)[13-14]和相移測(cè)量輪 廓 術(shù)(Phase Shifting Profilometry,PSP)[15-16]等。FTP是動(dòng)態(tài)測(cè)量中常用的算法,但是在傅立葉變換過(guò)程中缺乏局部分析能力,容易造成頻譜混疊、泄漏等問(wèn)題,影響測(cè)量精度,對(duì)復(fù)雜表面測(cè)量效果不理想。PSP由于其具有像素獨(dú)立的運(yùn)算性質(zhì),更適合于高精度的測(cè)量。使用PSP算法,假設(shè)Ik(x,y)是 相機(jī)采集的第k幅相移圖的光強(qiáng),A(x,y)為 圖像背景光強(qiáng)度,B(x,y)為 調(diào)制度,φ(x,y)為待求相位函數(shù),用N步移相算法的投影強(qiáng)度可以表示為:

        其中,δN=(k·2π)/N,N=3,4,5,···,k=0,1,···,N?1,式中有3個(gè)未知數(shù),因此至少需要3個(gè)等式才能求解得出Ik(x,y)。常用的相移法有三步、四步和五步相移法,其中,四步相移法應(yīng)用較為廣泛,與三步相移法相比,其能消除高次諧波,與五步及以上相移法相比,其數(shù)據(jù)采集時(shí)間短。使用四步相移法,對(duì)于投影出的4幅圖形,根據(jù)正弦光柵求解出的相位公式如下:

        公式(4)獲得的是相位分布在( ?π,π]之間的截?cái)嘞辔?,通過(guò)解包裹算法進(jìn)行相位展開(kāi),由此獲得被測(cè)物體的相位信息。公式(5)中, ?(x,y)為展開(kāi)后的連續(xù)相位,n(x,y)為某一點(diǎn)的條紋級(jí)次。

        2.2 顯微條紋投影測(cè)量標(biāo)定技術(shù)

        三維成像技術(shù)的一個(gè)重要部分是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,這對(duì)建立三維成像系統(tǒng)的測(cè)量精度起著至關(guān)重要的作用。與宏觀上的FPP相比,MFPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,由于光學(xué)放大率較大,MFPP裝置的視場(chǎng)要小得多,自由度更短,因此其測(cè)量范圍較小,這對(duì)系統(tǒng)的建模和標(biāo)定校準(zhǔn)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的透鏡模型標(biāo)定技術(shù)分為兩種:基于立體視覺(jué)的標(biāo)定技術(shù)和相位高度轉(zhuǎn)換的標(biāo)定技術(shù)[17]。

        立體視覺(jué)標(biāo)定技術(shù)基于雙目視覺(jué)理論,適用于如圖2(a)所示的經(jīng)典透視投影成像模型。該方法將投影儀看作一個(gè)偽相機(jī),使用相同的數(shù)學(xué)模型得到投影儀和相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)以及兩者之間的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移向量等。較為常用的是張正友的相機(jī)標(biāo)定法[18]以及張松的投影儀標(biāo)定法[19],其標(biāo)定流程如圖3所示。由于此類方法準(zhǔn)確性較高,對(duì)面外和面內(nèi)均進(jìn)行了標(biāo)定,因此得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于基于體視顯微鏡和使用非遠(yuǎn)心長(zhǎng)距離鏡頭的小視場(chǎng)系統(tǒng),該方法依然適用,但是需要高精度的小型靶標(biāo)。若使用一般尺寸的靶標(biāo),忽略景深的影響,使用離焦模糊的圖像獲取特征點(diǎn)的精確位置,能夠提升標(biāo)定的靈活性和適用性,但是對(duì)于處理算法的要求較高。

        對(duì)于使用遠(yuǎn)心鏡頭的MFPP系統(tǒng),由于遠(yuǎn)心鏡頭屬于仿射投影,其成像模型不再符合經(jīng)典的透視投影成像模型。如圖2(b)所示,將孔徑光闌放置于光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上,將沿光軸方向的物方光線匯聚在無(wú)限遠(yuǎn)處,因此遠(yuǎn)心鏡頭對(duì)于沿光軸的深度變化不敏感。因此,基于立體視覺(jué)的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法不能直接應(yīng)用于基于遠(yuǎn)心鏡頭的MFPP系統(tǒng)。近年來(lái),對(duì)于使用遠(yuǎn)心鏡頭的MFPP系統(tǒng)的標(biāo)定大多采用相位高度轉(zhuǎn)換技術(shù)[20-21],結(jié)合參考平面對(duì)相位—高度映射關(guān)系進(jìn)行一體化標(biāo)定。由于該類方法相對(duì)簡(jiǎn)單,不需要考慮系統(tǒng)的成像模型,傳統(tǒng)FPP系統(tǒng)也適用于該方法[22-23]。但是高精度的位移臺(tái)或量規(guī)塊不可避免[24-25],因此,該方法會(huì)受到測(cè)量系統(tǒng)體積的限制,且該方法一般只是完成了面外標(biāo)定,并不能實(shí)現(xiàn)面內(nèi)標(biāo)定。為了解決該問(wèn)題,基于正射投影模型結(jié)合鏡頭畸變模型的標(biāo)定方法相繼提出[20,21,25]。Hu等[26]結(jié)合了兩類方法的優(yōu)點(diǎn),使用相位高度轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行面外標(biāo)定,依據(jù)立體視覺(jué)的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法進(jìn)行面內(nèi)標(biāo)定。目前,針對(duì)于MFPP系統(tǒng)的標(biāo)定和校準(zhǔn)仍是研究熱點(diǎn)。

        圖2 (a)針孔成像模型及(b)雙遠(yuǎn)心成像模型Fig. 2 (a) Pinhole imaging model and (b) dual-telecentric imaging model

        圖3 相機(jī)與投影儀標(biāo)定流程Fig. 3 Flow chart of calibration of the camera and projector

        3 顯微條紋投影技術(shù)的最新進(jìn)展

        宏觀的FPP系統(tǒng)常采用更穩(wěn)定和準(zhǔn)確的偽雙目立體視覺(jué)結(jié)構(gòu),在一些大尺寸測(cè)量物體以及復(fù)雜表面測(cè)量時(shí)也會(huì)采用多相機(jī)多投影的測(cè)量系統(tǒng)。但是MFPP系統(tǒng)的搭建受到小視場(chǎng)下成像系統(tǒng)有限空間和有限景深的影響,因此對(duì)于其模型結(jié)構(gòu)的探索仍是該方向的主要研究?jī)?nèi)容。

        3.1 基于體式顯微鏡的MFPP系統(tǒng)

        近年來(lái),數(shù)字光處理DLP投影技術(shù)發(fā)展迅速,TI公司基于其開(kāi)發(fā)的DMD技術(shù),推出了一系列適用于實(shí)驗(yàn)的投影設(shè)備,稱為DLP LightCrafter[27]。因此,微型投影技術(shù)得到快速發(fā)展,使得系統(tǒng)的集成更加簡(jiǎn)單。如圖4所示,每個(gè)像素的灰度值取決于時(shí)間(1)與非時(shí)間(0)的比率。與傳統(tǒng)的商用投影儀相比,它具有體積小、可編程性強(qiáng)、易于控制等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)高速結(jié)構(gòu)光投影。

        圖4 (a)一種常用的小型化和通用的DLP LightCrafter[18]和(b)其二元投影機(jī)制Fig. 4 (a) A commonly used miniaturized and versatile DLP LightCrafter [18] and (b) its binary projection mechanism

        肖萍萍[28]搭建了一個(gè)MFPP系統(tǒng),使用DLP LightCrafter直接將圖案投射到體視顯微鏡的一個(gè)目鏡中以減小投影放大倍數(shù),類似的結(jié)構(gòu)如圖5所示。但是該系統(tǒng)將LightCrafter放置在安裝架上,對(duì)于不同高度測(cè)量樣品,投影儀位置需要重新調(diào)節(jié),降低了系統(tǒng)測(cè)量的靈活度。之后,有學(xué)者通過(guò)增加中間連接部件,使投影儀和相機(jī)固定在顯微鏡[26,29]上,可以實(shí)現(xiàn)整體高度的調(diào)節(jié),在測(cè)量不同的物體時(shí),不再需要重新校準(zhǔn)系統(tǒng),提高了測(cè)量系統(tǒng)的靈活性。Jeught等[29]提出了一種基于數(shù)字條紋投影和并行編程的實(shí)時(shí)顯微輪廓測(cè)量系統(tǒng),將LightCrafter和相機(jī)固定在顯微鏡上。Hu等[26]還提出了一種光學(xué)結(jié)構(gòu),將Greenough型立體顯微鏡應(yīng)用于MFPP中。由于此類型的顯微鏡鏡頭結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱式,入射光線基本在物鏡傍軸附近,因此更容易進(jìn)行標(biāo)定,甚至不用考慮畸變。

        圖5 基于立體顯微鏡的MFPP系統(tǒng)。 (a)系統(tǒng)測(cè)量方案原理圖; (b)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 5 Real-time MFPP system using stereoscopic microscope. (a) Schematic diagram of the system measurement and (b) physical diagram of the measurement system

        表1中總結(jié)了文中使用體視顯微鏡系統(tǒng)的特征信息,包含投影技術(shù)、系統(tǒng)復(fù)雜度、測(cè)量視場(chǎng)等。由表1的系統(tǒng)復(fù)雜度分析得知,使用單個(gè)有源光學(xué)組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)光投影,需要額外的精密光源設(shè)計(jì)光路,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。如果使用如數(shù)字投影儀等完整緊湊的投影單元,可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的連接器將投影儀和相機(jī)固定在顯微鏡上,可以提高系統(tǒng)對(duì)不同場(chǎng)景的適應(yīng)性且減少標(biāo)定次數(shù)。

        表1 基于體視顯微鏡的MFPP系統(tǒng)的比較Tab. 1 Comparison of MFPP systems based on off-theshelf microscopes

        3.2 基于LWD鏡頭的MFPP系統(tǒng)

        根據(jù)不同的成像模型,LWD透鏡可分為基于透視成像模型的非遠(yuǎn)心透鏡[18]和基于仿射成像模型的遠(yuǎn)心透鏡[20],兩者均能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量視場(chǎng)。由于相機(jī)與圖像在同一側(cè),所以目前MFPP系統(tǒng)使用的遠(yuǎn)心透鏡大多是物方遠(yuǎn)心透鏡或雙遠(yuǎn)心透鏡,這兩種遠(yuǎn)心透鏡能在物方一定深度上獲得恒定放大率的圖像。

        基于LWD鏡頭的相機(jī)—投影儀系統(tǒng)與傳統(tǒng)的MFPP系統(tǒng)大致相同。Quan等[8]將LWD鏡頭與LCD投影儀相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了顯微表面輪廓測(cè)量。Li等[20]使用雙遠(yuǎn)心鏡頭的相機(jī)和針孔鏡頭的投影儀,通過(guò)分別校準(zhǔn)相機(jī)和投影儀,建立空間中的三維坐標(biāo)系。Li等[32]建立了一個(gè)系統(tǒng),其中相機(jī)和投影儀都配備了遠(yuǎn)心透鏡。Peng等[33]建立了一個(gè)由兩個(gè)遠(yuǎn)心透鏡組成的系統(tǒng),并提出了一種畸變校正方法來(lái)校正ScheimpFlug遠(yuǎn)心透鏡引起的畸變。

        為了減少被測(cè)物體導(dǎo)致的遮擋問(wèn)題,可以構(gòu)建多相機(jī)系統(tǒng),每個(gè)相機(jī)局部標(biāo)定后完成各自世界坐標(biāo)系下的測(cè)量,由于各個(gè)相機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)不具有統(tǒng)一性,不能對(duì)整個(gè)被測(cè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)一致性描述,因此需要通過(guò)標(biāo)定建立全局坐標(biāo)系?;赮in的標(biāo)定方法[34],Wang等[35]使用DMD芯片和4個(gè)帶有LWD鏡頭的相機(jī)構(gòu)建了一個(gè)MFPP系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)多視圖多視角測(cè)量。Hu等[36-37]提出了一種新的三維測(cè)量顯微遠(yuǎn)心立體視覺(jué)系統(tǒng),可以避免復(fù)雜的投影儀校準(zhǔn)程序。Zhang等[19]使用雙遠(yuǎn)心鏡頭的正射投影模型,其低失真、寬景深和恒定放大率有助于系統(tǒng)直接測(cè)量得到物體的尺寸,避免了透視誤差,使系統(tǒng)更加靈活,精度容易控制,成本更低。

        基于LWD鏡頭的MFPP系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多相機(jī)測(cè)量,因此減小了被遮擋區(qū)域的測(cè)量難度,提高了測(cè)量效率。表2中總結(jié)了上述系統(tǒng)的投影技術(shù)、LWD鏡頭類型和測(cè)量視場(chǎng)方面的信息。

        表2 基于LWD鏡頭的MFPP系統(tǒng)對(duì)比Tab. 2 Comparison of MFPP systems based on an LWD lens

        使用體視顯微鏡作為MFPP系統(tǒng)的主體時(shí),可以靈活調(diào)整視場(chǎng),但是系統(tǒng)體積大,特別是在引入額外光學(xué)元件的情況下,使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜不穩(wěn)定。體視顯微鏡結(jié)構(gòu)本身又是固定的,因此導(dǎo)致系統(tǒng)的搭建靈活性不夠,比如不能搭建雙相機(jī)及多相機(jī)3D測(cè)量系統(tǒng)等。使用放大率較大的LWD鏡頭實(shí)現(xiàn)顯微投影測(cè)量,優(yōu)點(diǎn)在于其投影單元和成像單元相對(duì)獨(dú)立,但是需要更換不同放大倍率的LWD鏡頭來(lái)適應(yīng)投影和成像視場(chǎng),選擇不同工作距離的LWD鏡頭調(diào)整系統(tǒng)工作距離,以保證系統(tǒng)測(cè)量的靈活性。為了直觀地觀察和比較兩MFPP方法的性能,表3對(duì)基于體視顯微鏡和LWD鏡頭的兩類系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用領(lǐng)域做出比較。

        表3 兩類MFPP系統(tǒng)對(duì)比Tab. 3 Comparison of the two kinds of method for MFPP

        4 MFPP在高反光物體測(cè)量中的應(yīng)用

        在實(shí)際的MFPP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,由于正弦條紋的周期遠(yuǎn)大于光學(xué)分辨率,且顯微投影系統(tǒng)的景深較短,當(dāng)投影光收斂到小視場(chǎng)時(shí),光能會(huì)更加集中,導(dǎo)致條紋亮度超過(guò)相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的極限。此時(shí),黑條紋照射的發(fā)亮部分受到白條紋的影響不再能完全以黑色成像。在這種情況下,當(dāng)使用更高頻率的條紋時(shí),更容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由于系統(tǒng)采用的是主動(dòng)光照明方式,對(duì)于復(fù)雜彩色物體或拋光金屬表面、玻璃等反射率大范圍變化的物體,結(jié)構(gòu)光投影會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射,視場(chǎng)范圍會(huì)產(chǎn)生極其明亮的區(qū)域或亮斑,影響成像效果及后期的圖像處理效果。目前,通過(guò)噴涂顯影劑可以獲取良好的條紋圖像,但同時(shí)會(huì)降低測(cè)量效率,影響測(cè)量精度,且部分精密器件不允許對(duì)表面進(jìn)行處理。

        宏觀的高反射率光滑表面物體和鏡面物體可以通過(guò)條紋反射法[40-42]解決。該方法是將條紋投射到一個(gè)散射屏上,或用LCD液晶顯示屏把條紋直接顯示出來(lái),再將條紋反射到被測(cè)物體上。相機(jī)采集由光滑表面調(diào)制的條紋信息,解算出三維輪廓形貌,王月敏等[43]對(duì)基于條紋反射法鏡面物體三維測(cè)量進(jìn)行了詳細(xì)論述。但是這種方法對(duì)散射屏和被測(cè)物體參考面的幾何關(guān)系有嚴(yán)格要求,并且難以應(yīng)用到小視場(chǎng)的測(cè)量環(huán)境中。針對(duì)小視場(chǎng)中的高反光問(wèn)題,目前常采用高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)(High-Dynamic Range, HDR)[44]進(jìn)行解決。由于HDR技術(shù)是通過(guò)調(diào)整相機(jī)、投影儀等硬件設(shè)備并結(jié)合相應(yīng)算法對(duì)高反光表面進(jìn)行測(cè)量的,因此可以應(yīng)用到微觀測(cè)量結(jié)構(gòu)中。

        對(duì)相機(jī)成像過(guò)程和光線反射模型進(jìn)行分析,圖6為不同曝光時(shí)間下相機(jī)采集圖像,高曝光時(shí)間下的灰度值容易達(dá)到飽和狀態(tài)。因此可以通過(guò)使用多重曝光法調(diào)整相機(jī)曝光時(shí)間,獲取物體區(qū)域在最大非飽和強(qiáng)度下的圖像信息,將不同曝光時(shí)間下拍攝的圖片通過(guò)算法融合為一幅圖像。Jiang等[45]通過(guò)選擇具有最高條紋調(diào)制強(qiáng)度的像素,減少了環(huán)境光的影響,但是需要采集至少5倍的條紋圖像。為了提高測(cè)量速度,Rao等[46]使用條紋調(diào)制直方圖自動(dòng)預(yù)測(cè)未知場(chǎng)景的多個(gè)最佳曝光時(shí)間,提出了一種全自動(dòng)多曝光技術(shù),通過(guò)多次曝光和掩碼圖像結(jié)合,該方法可以在最多5次曝光的情況下,完成復(fù)雜表面的三維重建。Zhang[47]提出一種快速、自動(dòng)確定所需最佳曝光量的方法,其使用單次曝光捕獲的圖像來(lái)獲取全局最優(yōu)以確定曝光時(shí)間,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景的測(cè)量。

        圖6 不同曝光時(shí)間下的條紋圖像Fig. 6 Measurement results of captured fringe images under different exposure times

        對(duì)投影圖案進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)整也可以減小反光現(xiàn)象,根據(jù)物體表面反射率的不同來(lái)確定投影圖案的強(qiáng)度,結(jié)合各個(gè)坐標(biāo)系之間的標(biāo)定,確定每個(gè)像素的最佳投影強(qiáng)度。Chen等[48]根據(jù)被測(cè)表面的反射特性使用多項(xiàng)式擬合得出最優(yōu)的投射光強(qiáng),減少了圖像采集數(shù)量,具有較高的信噪比。由于白光投影導(dǎo)致高反光現(xiàn)象比較嚴(yán)重,因此使用彩色光投影來(lái)獲得具有不同亮度的多組條紋序列[49],并從多組條紋圖像中選擇最亮但不飽和的相應(yīng)像素,形成用于3D重建的條紋圖像。使用藍(lán)、黃、青、白四色光投影,得到高質(zhì)量的三維重建圖案。Song等[50]根據(jù)被測(cè)物體的表面反射率,基于相機(jī)的強(qiáng)度響應(yīng)函數(shù)生成適用于局部區(qū)域的最佳光強(qiáng)的條紋圖案,并使用降采樣方法對(duì)相機(jī)的響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行估計(jì),減少了相機(jī)響應(yīng)函數(shù)的獲取時(shí)間。Liu等[51]提出了一種基于自適應(yīng)投影技術(shù)的小視場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)范圍三維測(cè)量方法,使用一組正交條紋圖案和兩個(gè)均勻灰度圖案,得到自適應(yīng)條紋圖案,實(shí)現(xiàn)了小視場(chǎng)物體的測(cè)量。Zhang等[44]利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)消除HDR引起的相位誤差,減少了投影條紋圖案的數(shù)量,提高了測(cè)量精度和效率。

        根據(jù)光與物質(zhì)的相互作用機(jī)理使用偏振濾光片法[52],將鏡面反射分量與總輻射量分開(kāi)。Riviere[53]在鏡頭前加3個(gè)不同方向的線性偏振濾波器,實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的高反光表面檢測(cè),但這樣降低了投影儀的輸出光強(qiáng)度和相機(jī)的入射光強(qiáng)。Feng等[54]將多重曝光法和偏振濾光片法相結(jié)合,通過(guò)將兩個(gè)正交偏振濾光片分別放置在相機(jī)和投影儀的前面來(lái)測(cè)量反射率低的表面。由于金屬物體表面反射模型中,p分量始終存在,所以僅使用偏振技術(shù)無(wú)法完全消除金屬表面的反光現(xiàn)象,還需要結(jié)合其他技術(shù)來(lái)進(jìn)行輔助測(cè)量。

        除此之外,利用顏色不變量法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡面反射分量的分離。Benvenist等[55-57]基于顏色不變性設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于數(shù)字信號(hào)處理評(píng)估模塊的新型結(jié)構(gòu)光掃描儀系統(tǒng),并消除了測(cè)量過(guò)程中高光和環(huán)境光的影響。光度立體技術(shù)可以在不同方向的照明下,通過(guò)照明方向和圖像明暗之間的關(guān)系,在固定視點(diǎn)下獲得多個(gè)圖像重建表面的三維形貌和反射率。Meng等[58]結(jié)合此方法構(gòu)建了一個(gè)gonio-plenoptic成像系統(tǒng),可對(duì)表面有小起伏的高反射浮雕表面進(jìn)行測(cè)量。Zhang等[59]利用數(shù)字微鏡器件獲取同一個(gè)周期內(nèi)不同曝光量的條紋圖像,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量,且提高了HDR技術(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。Hu等[60]使用雙相機(jī)遠(yuǎn)心測(cè)量系統(tǒng)采集圖像信息,通過(guò)多頻相移方法,由于低頻條紋圖像周期較大,可以達(dá)到不飽和狀態(tài),使用低頻條紋中檢索的相位來(lái)填充最終的相位圖,以提高測(cè)量的完整性。該方法解決了由于密集條紋離焦和復(fù)雜表面反射特性造成的強(qiáng)度飽和現(xiàn)象。

        為了比較各類方法的優(yōu)缺點(diǎn),將常用方法根據(jù)上述分類,總結(jié)了代表性的HDR技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),如表4所示。

        表4 HDR 技術(shù)中各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab. 4 Comparison of typical methods in HDR technology

        5 總結(jié)與展望

        條紋投影三維測(cè)量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年,在傳統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。本文回顧了基于結(jié)構(gòu)光的MFPP三維測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、測(cè)量方法,分析了不同于傳統(tǒng)透射模型的遠(yuǎn)心透鏡系統(tǒng)的標(biāo)定問(wèn)題,總結(jié)介紹了顯微條紋投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和發(fā)展歷程,對(duì)于因小視場(chǎng)及結(jié)構(gòu)光投影引起的反光問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

        目前,MFPP系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域,特別是隨著當(dāng)前集成電路的發(fā)展,該技術(shù)可以快速、精確實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片封裝三維缺陷的檢測(cè)。但是對(duì)于微結(jié)構(gòu)物體的測(cè)量還面臨著一些問(wèn)題:(1)對(duì)于可以在單個(gè)視野中測(cè)量的小部件,通過(guò)縮小視場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量。但是對(duì)于帶微細(xì)特征的較大零件,其測(cè)量精度和速度的要求更高,僅僅通過(guò)縮小視場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量。因此需要構(gòu)建全場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),使其既能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)微特征的檢測(cè),又能實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量,更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)各類微小零件的測(cè)量。但是其重構(gòu)所需的數(shù)據(jù)量十分龐大,且目前對(duì)于快速顯微動(dòng)態(tài)全場(chǎng)測(cè)量的研究還較少,提高圖像采集的速度和圖像處理重構(gòu)的速度是關(guān)鍵性因素。(2)傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)以及接觸式測(cè)量?jī)x器很難測(cè)量出高深寬比的結(jié)構(gòu),而對(duì)于MFPP系統(tǒng),由于采用結(jié)構(gòu)光投影,也會(huì)存在光線遮擋問(wèn)題。針對(duì)類似于MEMS系統(tǒng)的高深寬比結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高度、側(cè)壁角等3D輪廓特征關(guān)鍵尺寸的測(cè)量需要進(jìn)一步探索研究。

        從工業(yè)4.0到中國(guó)制造2025,對(duì)于智能制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越高,被測(cè)對(duì)象的復(fù)雜程度也越來(lái)越高,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)在整個(gè)制造環(huán)節(jié)中十分重要。三維成像與傳感技術(shù)作為感知真實(shí)三維世界的重要信息獲取手段,為重構(gòu)物體真實(shí)幾何形貌及后續(xù)的三維建模、檢測(cè)、識(shí)別等方面提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。MFPP是一個(gè)極具發(fā)展前景的三維圖像獲取技術(shù),將其應(yīng)用到機(jī)器視覺(jué)成像系統(tǒng)中,構(gòu)建高分辨率、小型化、低廉化、簡(jiǎn)便化的產(chǎn)品級(jí)測(cè)量系統(tǒng),滿足智能測(cè)量的要求。在未來(lái),顯微條紋投影三維成像技術(shù)具有進(jìn)一步探索和應(yīng)用的潛力。

        猜你喜歡
        投影儀視場(chǎng)條紋
        天空投影儀
        星模擬器光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)拼接方法的研究
        防塵投影儀支撐架
        防塵投影儀支撐架
        誰(shuí)是窮橫條紋衣服的人
        小福爾摩斯(2019年2期)2019-09-10 07:22:44
        別急!丟了條紋的斑馬(上)
        別急!丟了條紋的斑馬(下)
        醫(yī)用內(nèi)窺鏡矩形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角的測(cè)試方法研究
        高校多媒體教室投影儀維護(hù)技術(shù)分析
        輕小型面陣擺掃熱紅外成像系統(tǒng)研究
        一区二区视频在线观看地址| 99久久综合国产精品免费| 中文字幕a区一区三区| 情色视频在线观看一区二区三区| 精品亚洲av乱码一区二区三区| 中文乱码字字幕在线国语| 亚洲一区二区三区尿失禁| 国产熟妇另类久久久久| 精品少妇一区二区三区视频| 中文字幕一区二区三区四区在线 | 五月激情在线观看视频| av手机免费在线观看高潮| 久久综合99re88久久爱| 久久久久99精品成人片直播| 精品亚洲aⅴ在线观看| 日本岛国大片不卡人妻| 人妻久久一区二区三区| 边喂奶边中出的人妻| 在线亚洲人成电影网站色www| 久久国产精品二区99| 久久99精品这里精品动漫6| 人妻熟女中文字幕在线视频| 干出白浆视频在线观看| 国产18禁黄网站免费观看| 久久99国产精品久久99果冻传媒| 国模欢欢炮交啪啪150| 亚洲爆乳无码专区| 天堂69亚洲精品中文字幕| 日本女优久久精品久久| 九色综合九色综合色鬼| 亚洲国产成人久久一区www| 欧美日韩综合在线视频免费看 | 中文字幕喷水一区二区| 欧美日韩国产在线成人网| 少妇被猛烈进入中文字幕| 久久综合久久美利坚合众国| 男人扒开女人下面狂躁小视频| 91精品国产综合久久青草| 在线观看一区二区三区在线观看| av无码小缝喷白浆在线观看| 亚洲精品国产成人无码区a片|