基于改进的分箱技术的单次曝光金属工件高动态范围（HDR）3D测量

《Optics & Laser Technology》：Single-exposure metal workpiece HDR 3D measurement based on improved binning

提出一种结合三频混合差频相位移位干涉仪与空间增强二进制技术的新型单次曝光高动态范围三维测量方法，无需多参数曝光调整或光学系统动态修改，适用于高反射金属表面，提升测量精度和信噪比。

　　

陈荣环|曹一平

四川大学光电系，中国成都，610065

摘要

本文提出了一种新颖的单次曝光高动态范围（HDR）三维（3D）测量方法，该方法结合了三频外差相位移动轮廓测量（PSP）技术和空间改进的分箱技术。与传统HDR技术相比，该方法在测量过程中无需多次调整曝光参数或修改光学系统，因此与现代自动化、高度集成的工业光学系统具有更好的兼容性。该方法还能同时平衡金属表面的过曝区域和低饱和区域，从而实现完整准确的表面重建。此外，通过扩展可能的灰度范围，该方法提高了重建精度和信噪比（SNR），表现出更强的鲁棒性。通过对不同区域的条纹强度分布进行比较分析，确定了最佳的灰度操作范围。系统评估了各种分箱配置，发现分箱级别越高，测量误差越小。理论分析和实验结果均证实，所提出的混合方法在鲁棒性和精度方面优于传统的PSP方法。这些进步满足了现代工业光学工程对高度自动化、高精度3D测量的需求，显示出未来的发展潜力。

引言

条纹投影轮廓测量（FPP）由于其高精度、高分辨率和自动化的非破坏性测量能力，在现代工程应用中得到广泛应用[1]，如精密检测、医疗设备、军事和商业领域。FPP有许多发展分支，包括傅里叶变换轮廓测量（FTP）[2]、相位移动轮廓测量（PSP）[3]、调制测量轮廓测量（MMP）[4]、莫尔条纹轮廓测量（MP）[5]、计算机生成莫尔条纹轮廓测量（CGMP）[6]和相位差分轮廓测量（PDP）[7]。其中，PSP因通过多步相位移动和减少高阶谐波而具有高精度和降噪能力而受到广泛关注[8]。

在PSP中，由于反正切函数的周期性，相位会包裹在（?π, π]范围内，因此进行相位解包以获得连续的绝对相位至关重要。常见的相位解包方法可分为空间相位解包（SPU）和时间相位解包（TPU）。SPU包括质量引导法[9]、分支切割法[10]、菱形法[11]、帘幕法[12]和多锚点双向抑制法[13]，这些方法通常会比较相邻像素的包裹相位值，并加上或减去2kπ以确保相位保持在（?π, π]范围内。因此，这种方法依赖于物体表面在相位域的连续性。如果存在深度不连续性，SPU方法可能会遇到困难甚至失败。即使对于连续表面，其精度也有限，因为SPU本质上是一个积分过程，会导致误差累积。相比之下，TPU通过投影具有不同特性的额外条纹图案来确定绝对相位。已经开发了多种TPU方法，如二进制编码法[14]、条纹幅度编码法[15]、相位-强度混合编码法[16]、格雷码TPU[17]、双频外差TPU[18]、三频外差TPU[19]、相位编码TPU[20]等。

虽然FPP可以快速准确地测量漫反射物体，但其应用于具有复杂反射模型的高反射表面仍然具有挑战性。镜面反射和多路径干涉的存在常常导致捕获的光强度超出相机的量化范围。这种光能的集中导致其他区域的能量不足，从而在捕获的正弦条纹图像中同时出现过曝和欠曝区域。因此，准确重建高反射表面已成为一个重大挑战。为了解决高反射问题，提出了许多高动态范围（HDR）方法[22]、[23]，这些方法主要分为多次曝光技术[24]、投影图案强度调整方法[25]、偏振滤波器方法[26]、颜色不变方法[27]、基于在线测量的方法[28]、光度立体技术[29]、并行投影多视图方法[30]、傅里叶散斑辅助的运动鲁棒相位移动方法[31]和双目立体视觉的全链误差传递建模[32]。这些方法都可以提高高反射表面的重建精度，但它们存在一些局限性：有些需要多次曝光设置，有些需要多强度调整，有些需要多偏振状态，有些需要多色度调整，有些需要多在线位置。过多的条纹图案捕获和过多的人工干预会导致测量效率降低。

为了解决这些问题，本文提出了一种结合三频外差PSP和改进的空间分箱技术的新颖单次曝光HDR 3D测量方法。与传统HDR技术相比，该方法在测量过程中无需多次调整曝光参数或修改光学系统。它可以满足高反射金属组件的高精度和鲁棒3D测量要求，这与现代工业自动化、智能化和集成化的需求相一致。

章节片段

N步PSP原理

在工业测量工程中，N步PSP因其非接触性和高精度优势而受到广泛关注。首先，生成一组具有N步相位移动和8位灰度深度的正弦条纹图案：