三维测量领域的重要成果：相位辅助三维形貌测量关键技术研究

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[编者按] 三维测量在装备研制、城市数字化及古建筑保护等领域发挥着巨大作用。张宗华教授在河北工业大学创建光学智能多维感知实验室，率领团队潜心研究多年，在三维测量方面取得系列重要成果，提出了相位辅助三维形貌测量的成套技术解决方案，并取得了多项创新应用成果。

张宗华简介：工学博士，河北工业大学教授，博士生导师。主要从事三维光学测量原理与技术、复杂属性表面形貌多维信息感知、三维测量系统相位-深度模型、及自由表面镜面偏折测量术等方面的研究。近年来主持和参加国家“重大科学仪器设备开发”重点专项、国家自然基金项目、部省级重点项目等10余项；作为第一完成人获得河北省技术发明二等奖；发表论文200余篇，2篇入选“ESI高被引论文”，被引用达2700余次；在国内外会议上作大会报告和邀请报告40余次；授权发明专利30余项；入选欧盟玛丽?居里学者；现担任Optics Express的Associate Editor、Scientific Reports的Editorial Board Member、《红外与激光工程》编委、《计测技术》编委，中国光学工程学会理事、中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成分会常务理事等。

相位辅助三维形貌测量关键技术研究

河北工业大学光学智能多维感知实验室以先进制造和信息社会发展过程中出现的代表性测量新问题、新需求为背景，结合国家重点产业目标和重大战略需求，致力于基于条纹投影或显示以及相位计算的三维测量新原理、新方法、新应用的研究与探索。经多项国家级、省部级及人才类项目的资助，形成了相位辅助三维形貌测量的成套技术解决方案，具体包括非连续镜面和复杂漫反射表面快速三维测量、彩色场景多维感知及其测量系统的自动高精度三维标定等关键技术，具有“快”、“准”、“精”等技术优势。相关技术在北京、天津、深圳和江苏的多个企业得到广泛应用，取得了显著的应用效果，推动了智能制造、人体三维数字化、口腔三维扫描、虚拟博物馆、古文物保护、房屋租赁、家装家居等行业的发展。

一、面向非连续镜面三维形貌数据的直接相位测量偏折术

揭示了结构参数对测量精度的影响规律，可直接从两个显示屏上对应的相位数据测得镜面的深度数据，解决了非连续镜面三维测量的难题，实现了空间望远镜等非连续镜面及其面形的测量。在Optics Express、Optics Letters、Optics andLasers in Engineering等期刊上发表SCI论文20余篇，其中1篇入选ESI高被引论文，授权发明专利7项。学术成果应用在高端装备中镜面物体的检测上，并获得河北省技术发明二等奖1项。

图1 空间望远镜上一非连续镜面及其面形测量结果

二、面向复杂漫反射表面和场景的并行多通道条纹投影与成像方法

实现了从同时采集的多个条纹图中得到高精度三维形貌和颜色纹理数据，使三维测量达到相机采集的速率，提高了测量速度。可用于动态物体表面三维形貌的测量、复杂场景三维数字化和彩色纹理数据的快速采集。在Optics Express、Optics Letters、Optics and Lasers in Engineering等期刊上发表SCI论文30余篇，其中1篇入选ESI高被引论文，授权发明专利8项。成果应用于舞台灯光控制系统，相关的1项专利荣获中国专利优秀奖和天津市专利奖金奖，并荣获中国光学工程学会技术发明一等奖1项。

图2 并行多通道测量系统及获取的三维形貌和彩色纹理

三、确定单节点相位图和三维数据间精确关系的现场标定方法

在理论推导相位、系统结构参数与空间深度之间关系的基础上，利用表面带有已知距离圆环标识的平板，实现了三维成像系统脱离实验室环境在实际工作现场的快速简易标定。摆脱了传统标定方法对高精度水平移动台的依赖，解决了应用场合中三维测量系统标定过程复杂、速度慢、准确度过度依赖辅助设备的问题，进而实现了物体和场景三维数据的现场、快速、准确测量。在Optics Express、Optics Letters等期刊上发表论文20余篇，授权发明专利8项。成果应用于室内场景彩色三维成像系统，并获得中国仪器仪表学会技术发明二等奖1项。