、項(xiàng)目名稱：  光學(xué)三維傳感原理與方法研究

推薦單位：    教育部

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：    本項(xiàng)研究屬信息科學(xué)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)研究，在4個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助下完成。主要研究光學(xué)三維傳感的原理與方法，即用光學(xué)的手段獲得物體三維空間信息的原理、方法和相關(guān)技術(shù)。光學(xué)三維傳感原理與方法是建立真實(shí)世界與虛擬數(shù)字世界之間聯(lián)系的橋梁，具有重要的科學(xué)意義，在工業(yè)檢測(cè)、快速原型、虛擬現(xiàn)實(shí)、影視特技、制鞋服裝等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。本項(xiàng)目在相位測(cè)量輪廓術(shù)(PMP)、傅立葉變換輪廓術(shù)(FTP)、調(diào)制度測(cè)量輪廓術(shù)(MMP)、復(fù)雜位相場(chǎng)展開(kāi)等方面做出了一批有創(chuàng)造性的成果。提出準(zhǔn)正弦結(jié)構(gòu)照明光場(chǎng)理論模型，建立了位相－高度映射的線性模型和雙向二次擬合模型。提出π相移FTP方法，從離散傅里葉變換的角度給出了測(cè)量范圍和抽樣頻率選擇法則。率先提出MMP原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜三維面形的垂直測(cè)量。率先提出可靠性導(dǎo)向的復(fù)雜相位展開(kāi)原理。提出動(dòng)態(tài)三維面形傳感原理和三維相位展開(kāi)方法。對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)光傳感器、線結(jié)構(gòu)光傳感器、激光散斑對(duì)三維測(cè)量精度的影響、系統(tǒng)的校準(zhǔn)等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。科學(xué)價(jià)值及同行引用情況：提出的準(zhǔn)正弦結(jié)構(gòu)照明光場(chǎng)理論模型、建立的位相－高度映射和二次擬合模型，提高了測(cè)量精度。提出π相移FTP方法可以使三維測(cè)量的深度變化范圍提高3倍。針對(duì)FTP中的理論缺陷，從離散傅里葉變換的角度給出了測(cè)量范圍和抽樣頻率選擇法則。提出的調(diào)制度測(cè)量輪廓術(shù)原理，解決了復(fù)雜三維傳感中不連續(xù)表面測(cè)量問(wèn)題。提出了雙頻柵時(shí)間相位展開(kāi)和可靠性導(dǎo)向的空間相位展開(kāi)方法，在復(fù)雜相位場(chǎng)展開(kāi)方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。首次實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)和旋渦類動(dòng)態(tài)過(guò)程的三維傳感。本項(xiàng)目發(fā)表的論著被SCI收錄28篇、EI收錄50余篇，論著被SCI他人正面引用245篇次，得到國(guó)內(nèi)外同行公認(rèn)和廣泛引用。主要成果7次在相關(guān)國(guó)際會(huì)議上作特邀報(bào)告，主要完成人10余次擔(dān)任相關(guān)國(guó)際會(huì)議學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)，受到國(guó)際同行的廣泛關(guān)注和尊重。部分理論成果已應(yīng)用于工程實(shí)際，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  （1） 首次提出準(zhǔn)正弦結(jié)構(gòu)照明光場(chǎng)理論模型，建立了位相－高度映射的線性模型和雙向二次擬合模型。提出一種對(duì)在非恒定環(huán)境光條件下采集的條紋圖進(jìn)行修正的有效算法,為PMP系統(tǒng)在較為惡劣的環(huán)境下的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。建立了相位－高度映射和橫向坐標(biāo)同時(shí)校正方法。提出了一種新的基于"洪水模式"的圖像拼接算法以及消除載波影響的新的相位算法。屬于技術(shù)光學(xué)學(xué)科，主要附件中支持該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的論文編號(hào)：1，2，3

（2） 首次提出π相移傅立葉變換輪廓術(shù)，使三維測(cè)量的深度變化范圍提高3倍。針對(duì)FTP中的理論缺陷，首次從離散傅里葉變換的角度給出測(cè)量范圍和抽樣頻率選擇法則。提出二維傅立葉變換輪廓術(shù)，導(dǎo)致高度信息與噪聲更好的分離。屬于光學(xué)信息處理理論學(xué)科，支持該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的論文編號(hào)4，5，6

（3） 在國(guó)際上率先開(kāi)展調(diào)制度測(cè)量輪廓術(shù)（MMP）研究工作，提出一種全新的光學(xué)三維輪廓測(cè)量方法。這種方法基于投影到待測(cè)物面上的正弦條紋的調(diào)制度分布獲取三維空間信息。由于原理上的創(chuàng)新，投影方向和探測(cè)方向保持一致，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的垂直測(cè)量，和測(cè)量物表面高度劇烈變化或不連續(xù)的區(qū)域，開(kāi)創(chuàng)了三維傳感中以調(diào)制度測(cè)量為基礎(chǔ)的"垂直測(cè)量"新的原理和方法。屬于技術(shù)光學(xué)學(xué)科，支持該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的論文編號(hào)：7

（4）在國(guó)際上率先提出基于可靠性導(dǎo)向的空間相位展開(kāi)方法以及雙頻光柵的時(shí)間位相展開(kāi)方法。從條紋圖形成的內(nèi)在物理機(jī)理出發(fā)，研究并發(fā)現(xiàn)了條紋調(diào)制度、條紋空間頻率等參數(shù)與相位可靠度之間明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終形成獨(dú)特的基于可靠性導(dǎo)向的相位展開(kāi)理論和基于可靠性排序的相位展開(kāi)方法。該理論和算法適用于復(fù)雜三維面形測(cè)量系統(tǒng)并已用于復(fù)雜光學(xué)波面檢測(cè)、全息干涉計(jì)量、干涉合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和光彈測(cè)量領(lǐng)域，成為一種普適性的原理和方法。屬于信息光學(xué)學(xué)科，支持該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的論文編號(hào)：8，

（5）提出三維物體360度面形測(cè)量方法，提出線結(jié)構(gòu)光傳感器的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法。提出激光散斑對(duì)三維測(cè)量精度影響的理論分析和解決方案。已用于葉片、旋轉(zhuǎn)體等物體三維面形測(cè)量。屬于技術(shù)光學(xué)學(xué)科，支持該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的論文編號(hào)：9

（6） 提出動(dòng)態(tài)三維面形傳感原理和方法以及三維空間相位展開(kāi)方法。首次實(shí)現(xiàn)對(duì)高速旋轉(zhuǎn)和液體旋渦類動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)三維傳感，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖擊和爆轟過(guò)程的三維傳感。屬于技術(shù)光學(xué)學(xué)科，支持該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的論文編號(hào)：10

主要完成人：  1.   蘇顯渝

主持項(xiàng)目包含的所有基金，提出項(xiàng)目總體學(xué)術(shù)思想，確定主要研究?jī)?nèi)容，制定研究計(jì)劃。提出第一發(fā)明點(diǎn)中包含的準(zhǔn)正弦結(jié)構(gòu)光場(chǎng)理論模型；提出第二發(fā)明點(diǎn)包含的π相移傅立葉變換輪廓術(shù)；提出第三、四、五發(fā)明點(diǎn)所包含的原理和方法等。作為第一作者或?qū)�師發(fā)表主要論文，投入該項(xiàng)研究中的工作量占本人工作量的80%。對(duì)項(xiàng)目貢獻(xiàn)重大。

2.   陳文靜

參加兩項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金，系統(tǒng)地研究了傅里葉變換輪廓術(shù)的原理和方法，提出第二發(fā)明點(diǎn)中所涉及的抽樣對(duì)傅里葉變換測(cè)量范圍的影響，并給出了抽樣頻率選擇法則，提出采用灰度圖和小波變換消除零頻對(duì)FTP影響的思想，研究了第四發(fā)明點(diǎn)中涉及的基于可靠度的相位展開(kāi)問(wèn)題。作為第一作者或合作者在本項(xiàng)中發(fā)表了多篇論文。投入該項(xiàng)研究中的工作量占本人工作量的60%。對(duì)本項(xiàng)目的完成作出了重要貢獻(xiàn)。

3.   張啟燦

參加兩項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金，系統(tǒng)地研究了動(dòng)態(tài)三維面形傳感方法，提出第六發(fā)明點(diǎn)中動(dòng)態(tài)三維傳感和三維空間相位展開(kāi)原理和方法。首次實(shí)現(xiàn)對(duì)液體旋渦類、高速旋轉(zhuǎn)物體以及沖擊和爆轟動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)三維傳感并獲得其三維動(dòng)態(tài)數(shù)字圖像。投入該項(xiàng)研究中的工作量占本人工作量的60%。對(duì)本項(xiàng)目的完成作出了重要貢獻(xiàn)。

4.   李萬(wàn)松

參加兩個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金。系統(tǒng)研究了位相測(cè)量輪廓術(shù)（PMP）的原理和方法，完成第一發(fā)明點(diǎn)中涉及的位相－高度映射的線性模型和雙向二次擬合模型以及在非恒定環(huán)境光條件下采集的條紋圖的有效修正算法。投入該項(xiàng)研究中的工作量占本人工作量的40%。對(duì)本項(xiàng)目的完成作出了重要貢獻(xiàn)。

5.   曹益平

參加一項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金，研究了動(dòng)態(tài)三維面形傳感方法，完成了第六發(fā)明點(diǎn)涉及的高速旋轉(zhuǎn)物體的實(shí)時(shí)三維傳感，負(fù)責(zé)信息處理電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究工作，在解決實(shí)驗(yàn)技術(shù)難點(diǎn)方面發(fā)揮重要作用。投入該項(xiàng)研究中的工作量占本人工作量的40%。對(duì)本項(xiàng)目的完成作出了重要貢獻(xiàn)。

10篇代表性論文：  1.   Automated phase-measuring profilometry using defocused projection of a Ronchi grating /Optics Communications

2.   Phase-stepping grating profilometry: utilization of intensity modulation analysis in complex objects evaluation /Optics Communications

3.   Phase algorithm without the influence of carrier frequency/ Opt. Eng.

4.   An improved Fourier transform profilometry for automatic measurement of 3-D object shapes / Opt Eng.

5.   Fourier transform profilometry: a review /Optics and Lasers in Engineering

6.   Method for eliminating zero spectrum in Fourier transform profilometry/ Optics and Lasers in Engineering

7.   Application of modulation measurement profilometry to objects with surface holes /Appl. Opt.

8.   Two-frequency grating used in phase-measuring profilometry /Appl. Opt.

9.   Automatic measurement method for 3600 profilometry of 3-D diffuse objects/ Appl. Opt

10.  High-speed optical measurement for the drumhead vibration/ OPTICS EXPRESS