用于强反射表面形貌测量的投影栅相位法

    １　引　言　　

    强反射表面三维形貌测量一直是光学非接触测量研究的热点和难点。光学非接触测量以正确接收物体表面反射光作为测量基础，而对于具有强反射表面的物体来说，物体表面的强反射性质会使图像饱和或过暗，产生信息失真，导致测量精度大幅下降，甚至难以进行正常测量。

    针对这一问题，国内外提出了不同的解决方法。刘元坤^［１］测量类镜面物体表面的三维形貌时，将显示器或周围景物等作为投射光源，利用单相机观测物体表面所反射的投射光源的像来进行测量，但这种方法的测量精度不高，而且测量范围较小。ＲＩＣＨＡＲＤ^［２］利用被测物体表面在不同角度下反光区域也不尽相同的特点，避开镜面反射区域，利用漫反射进行多角度局部测量，再整体拼接成完整被测表面，此方法在整体拼接过程会引入误差，影响测量精度。ＳＨＩＮＪＩ^［３］利 用被测物体表面镜面反射和漫反射的不同偏振特性，在观测相机前加装偏振片，利用偏振片滤除具有偏振特性的镜面反射，只让漫反射光进入观测相机，从而实现测 量，但对强反射表面来说，漫反射光较弱，降低了测量精度。另外，也有人提出采用向具有强反光表面喷涂某种粉末，使被测物体呈现漫反射特性，以利于光学三维 测量，但是，粉末不均匀增加了测量误差。因此，目前没有解决强反射表面三维形貌测量的快速、有效方法。

    投影栅相位法^{［４－５］}作为典型的非接触光学主动测量方法，可用于无明显纹理特征表面的三维形貌测量。主要测量步骤 包括条纹投射与图像采集、相位解算、立体匹配和三维复现等。条纹投射与图像采集是使用投射器将光栅投射到物体表面，利用相机拍摄受到物体表面调制的光栅条 纹。相位解算先由解相算法解调相位，计算得到被包裹在［－π，＋π］区间的相位，再通过相位展开算法还原连续真实的相位。立体匹配^［６］是通过极线约束和连续单调相位，寻找双目视觉的同名匹配点，得到左右图像的匹配点对。最后，由三维重建原理^{［７－８］}，根据匹配点计算物体三维形貌。

    传统投影栅相位法在测量强反射表面三维形貌时，条纹图像易出现饱和或过暗，导致测量失效。本文在分析传统投影栅相位法失效原因的基础上，提出在条纹投射与图像采集步骤中加入亮暗条纹投射、多曝光时间采集图像和图像合成等技术，实现了强反射表面的三维形貌测量。

    ２　强反射表面测量方法