《Optics & Laser Technology》：DIC-assisted polarization fringe projection three-dimensional displacement measurement based on intensity-DOLP space
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摘要数字图像相关技术辅助的条纹投影轮廓测量法是一种用于同时获取复杂结构三维形状和位移的新兴技术。然而，该技术面临一个核心挑战：表面反射率的要求相互矛盾——条纹投影轮廓测量法需要均匀的反射率以保持条纹质量，而数字图像相关技术则依赖高对比度的散斑图案来实现精确跟踪。传统的分离技术，如
摘要
数字图像相关技术辅助的条纹投影轮廓测量法是一种用于同时获取复杂结构三维形状和位移的新兴技术。然而，该技术面临一个核心挑战：表面反射率的要求相互矛盾——条纹投影轮廓测量法需要均匀的反射率以保持条纹质量，而数字图像相关技术则依赖高对比度的散斑图案来实现精确跟踪。传统的分离技术，如光谱过滤和颜色通道分解，往往会导致条纹或散斑信息的质量下降。为解决这一矛盾，本文提出了一种新的可分离散斑的偏振相位移编码策略。该方法通过投影结合水平极化正弦条纹与垂直极化方波条纹的复合条纹图案，在混合强度与线性极化度空间中建立分离框架。在强度空间中，通过优化灰度转换消除散斑引起的强度变化，同时保留条纹的正弦特征并降低散斑带来的调制效应。而在线性极化度空间中，高极化度编码条纹与低极化度荧光散斑之间的显著对比度，有助于实现基于阈值的精确散斑提取。实验结果表明，该方法能够在复杂金属物体上实现高精度的三维重建和全场三维位移测量，有效克服了传统基于强度的方法的局限性。进一步的线性极化度统计分析表明，所提出的分离机制是基于统计上的线性极化度对比度，而非理想的二值极化假设。
引言
由于其高稳定性、高精度和高分辨率等优势，结构光三维测量技术已被广泛应用于工业制造和检测领域[1]、[2]、[3]、[4]。在结构光测量中，最常用的图案类型是具有正弦强度分布的条纹图案，这类技术通常被称为条纹投影轮廓测量法。目前主流的条纹投影轮廓测量技术主要包括两种典型方法：傅里叶变换轮廓测量法[5]、[6]以及相位移轮廓测量法[PSP][7]、[8]、[9]、[10]。尽管条纹投影结构光技术在三维表面重建方面取得了显著进展，但在三维位移测量方面仍存在技术瓶颈。由于该技术的编码条纹是通过投影方式施加的，而非直接附着在待测表面上，因此当物体移动时，很难准确追踪变形区域内的特征点对应关系。所以，虽然条纹投影能够高效重建复杂结构的三维形状，但无法满足精确的全场位移测量需求。
位移是机械行为最直接的体现，也是机械测量中最基础的任务之一。数字图像相关技术凭借其全域非接触式检测、简化的数据采集流程、较强的环境适应性以及较低的表面预处理要求等优势，已成为实验力学领域中位移和变形量化的主流方法。该技术通过数字图像处理算法，从序列图像中直接提取表面位移场和变形梯度场。其输入数据源可与多种数字成像设备兼容，大大拓展了应用范围。此外，为突破二维变形场测量的空间限制，学者们开发出了三维数字图像相关技术系统[11]，该系统采用双目视觉[12]、[13]、[14]架构，实现对空间三维参数的同步测量。该技术通过带有空间姿态校准的双目成像单元，同步采集具有特征纹理分布的被测物体的多视角图像，再利用多视角立体匹配算法完成三维形状重建；而位移场和应变场数据则通过单相机视角下的时间序列图像特征跟踪技术来求解，从而得到位移矢量结果。
尽管数字图像相关技术如前文所述具有诸多优势[15]、[16]、[17]，但也存在一定的缺陷。与通过逐点相位计算实现三维重建的结构光技术不同，数字图像相关技术的三维重建效果直接取决于图像子区域的匹配质量。当双目相机的视轴基线过大，或物体表面存在高度复杂的几何特征时，传统的变形数学模型难以准确描述该子区域的局部变形行为，从而导致匹配误差逐渐累积。一旦误差超过算法的容忍阈值，就会出现子区域匹配失败或迭代过程无法收敛等问题，最终导致三维重建失败。另外，由于数字图像相关技术是基于区域灰度相关性运行的，因此在处理具有微米级精细特征的物体时，算法的固有平滑效果会模糊特征边缘。因此，尽管双目数字图像相关技术能够同时获取三维形状和位移数据，但在复杂结构的三维重建方面仍存在明显不足。
由此可见，虽然传统的结构光系统能够实现高精度的快速三维形状重建，但其局限性在于投影条纹仅携带空间编码信息，无法标记表面特征点的时空连续性，因而缺乏三维位移量化功能。另一方面，尽管数字图像相关技术具备亚像素级的位移跟踪精度，但在面对复杂结构时却难以实现可靠的立方体重建。基于对上述技术的互补性分析，为进一步提升条纹投影系统的位移测量和分析能力，有必要将结构光技术在高精度三维形状重建方面的优势与数字图像相关技术在快速追踪对应匹配点方面的优势相结合，建立不同时刻相同名称特征点之间的对应关系，从而实现精确的位移分析。为此，本文提出了一种高效且易于实现的数字图像相关技术辅助的偏振结构光测量系统。
要将条纹投影轮廓测量法和数字图像相关技术的优势整合到同一系统中实现同步测量，关键在于如何从同一采集数据中有效分离条纹图案和散斑图案。Tay等人早期的研究通过光谱过滤将条纹投影轮廓测量法与数字图像相关技术相结合[18]，虽然证明了这种整合的可行性，但却导致了高频纹理信息的丢失。Siegmann等人后来提出了基于颜色通道的分离方案，用以处理人工生成的散斑[19]，但该方法容易受到颜色串扰的影响。为获得更精确的复杂物体重建结果，研究方向转向了相位移轮廓测量法的整合应用。Nguyen等人将相位移轮廓测量法与数字图像相关技术结合使用[20]，但其方法需要依次投影条纹图案和纹理图案，影响了时间同步性。Shi等人则提出了一种单帧四步相位移方法，试图通过相位移图像的平均强度来获取纹理信息[21]，但该方法仍易受环境光的影响。值得注意的是，前述方法大多采用条纹投影轮廓测量法进行垂直于表面的位移测量，而用数字图像相关技术进行平行于表面的位移测量，这种分离方式容易引入误差。Sun等人[22]和Luis等人[23]的研究则致力于通过数值校正来缓解这一问题。
Wu Zhoujie等人提出了数字图像相关技术辅助的条纹投影轮廓测量法这一重要理念，实现了该领域的重大突破[24]。在该框架下，条纹投影轮廓测量法负责获取精确的三维坐标，而数字图像相关技术则用于追踪不同时刻对应的二维点，进而通过点云减法直接计算出三维位移。Wu团队的后续研究，包括颜色编码系统[25]以及基于标记的散斑提取技术[26]，进一步推动了该领域的发展。然而，所有这些研究都存在一个关键局限：它们的条纹投影轮廓测量法依赖于传统的基于强度的编码方式，这使得它们在测量高动态范围物体时容易出现过曝问题，从而限制了整个集成系统的精度和稳定性。
因此，本研究引入极化作为新的编码维度，以克服基于强度的编码方法的局限性。我们提出了一种基于可分离散斑的偏振相位移策略的数字图像相关技术辅助的偏振结构光系统。其核心创新在于设计了复合极化条纹，并在混合强度与线性极化度空间中对这些条纹进行分离。该方法既保证了用于三维重建的正弦条纹的高保真度，又为数字图像相关技术提供了高对比度的散斑图案，从根本上解决了表面反射率要求的矛盾。本文的主要贡献包括：（1）利用极化正交性的新型SSPP编码策略；（2）在强度与线性极化度空间中建立的物理模型驱动的分离框架，可最大程度减少两类信息之间的干扰；（3）在具有挑战性的金属表面上的高精度三维位移测量实验验证。
章节要点
原理
对于具有大规模荧光散斑表面的物体，条纹投影轮廓测量法和数字图像相关技术对散斑表面反射率的要求存在矛盾。因此，本文设计了可分离散斑的偏振相位移条纹，并提出了一种基于强度与线性极化度空间的分离方法。
实验结果
为评估所提出的数字图像相关技术辅助的SSPP条纹方案的可行性，我们搭建了相应的实验系统进行验证。实验装置如图4所示，该方案的具体工作流程如图5所示。实验中使用了型号为PT-X303CXGA、分辨率为1920×1280的LCD投影仪，将计算机生成的SSPP条纹图案投射到被测物体上；同时使用了型号为MER2-503-23GC-P、分辨率为1920×1200的颜色偏振相机用于
结论
本文提出了一种新的可分离散斑的偏振相位移编码方法，以及在强度与线性极化度空间中的相应分离模型，成功解决了条纹投影轮廓测量法与数字图像相关技术之间在表面反射率要求上的固有矛盾。该方法的核心创新在于引入极化状态作为新的编码维度，通过设计由水平极化正弦条纹与垂直极化条纹组成的复合图案
作者贡献说明
朱振民：论文撰写——审稿与编辑、论文撰写——初稿、项目指导、方法设计、资金获取、概念构思。刘强：论文撰写——审稿与编辑、论文撰写——初稿、可视化处理、软件应用、方法设计。盛鹏：可视化处理、项目指导。刘佳辉：方法设计。龙文清：资源协调、资金获取。何丽发：资源协调、资金获取。李伟：项目指导。朱涛伟：方法设计。
资助情况
江西省03专项计划（20232ABC03A03、20232ABC03A08）；江西省重点研发计划（20232BBE50012、20243BBG21012、20252BCE310007）。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。
Zhenmin Zhu|Qiang Liu|Peng Sheng|Jiahui Liu|Wenqing Long|Lifa He|Wei Li|Taowei Zhu
