[发明专利]基于反射光场偏振与空时编码的表面三维重建方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于反射光场偏振与空时编码的表面三维重建方法和系统，能够有效降低累计误差，实现复杂表面的高分辨高精度三维重建，且配置灵活，成本较低。该方法包括：对待测物体进行可调控精度的空时编码三维重建以获取第一三维面形数据D^shape，并计算其法向量场N^shape；采用圆偏振光照明待测物体表面，计算反射光场法向量场N^polar；通过N^shape纠正反射光场法向量分量入射方位角φ，得到第一优化的反射光场法向量场N^{c polar}；通过D^shape纠正反射光场法向量相关的折射率n_m，得到第二优化的反射光场法向量场N^rpolar；基于圆偏振度和D^shape联合引导梯度积分得到第二三维面形数据D^polar；将D^shape和D^polar进行数据融合，得到待测物体表面的第三三维面形数据D^hh。

技术领域

本发明涉及光学三维测量与检测技术领域，尤其涉及一种基于反射光场偏振与空时编码的表面三维重建方法和系统。

背景技术

精密测量与检测技术一直是设备制造、加工的重要工具，贯穿到产品的整个生产加工、质量控制、零件装配、缺陷检测等各个环节，是高精度几何零部件和复杂曲面加工的依据和保证，也是工业制造技术发展的基础和前提。三维测量技术作为现代非接触精密测量与检测技术不可缺少的重要手段之一，被广泛应用于汽车制造、航空航天、逆向工程等重要领域，在推动经济发展和社会进步方面起着举足轻重的作用。随着第四次工业革命的到来，如何在复杂环境下，以较低的成本实现复杂表面高分辨高精度三维测量成为新一代精密测量与检测技术发展的重要方向。

被动三维测量基于自然光照明的二维图像分析亮度、阴影、纹理、像流、几何特征等各种三维线索重建待测物体三维面形或者深度数据，主要应用于精度要求不高的场合。其中，光度立体视觉、阴影三维恢复这类方法在可控光照和满足某些假设的条件下，通过解算表面法向量场来重建面形，具有很高的局部分辨率，可以检测到亚毫米甚至更高的几何特征，但获得是相对三维面形数据，在重建模型不合理或者解算方法适应性欠佳等情况下，容易产生形貌失真。

基于结构光照明的主动三维测量技术通过投射激光或者其它形式的点、线、面的结构光，分析受待测物体表面调制的光场图像的相位、强度、调制度或者对比度等信息进行三维重建。与被动三维测量技术相比，主动三维测量具有很高的测量精度和全场形貌还原能力，然而其局部测量分辨率有限，一般只能达到1mm左右，对于具有丰富信息的更高频细节难以探测。采用干涉、全息等原理的测量技术主要面向微纳结构的高分辨三维重建，尽管分辨率可以达到纳米级，但其测量范围小，不适用于宏观尺度的复杂表面三维测量。

目前，从单一信息源实现宏观尺度的高分辨高精度三维重建很难突破其技术瓶颈。将光度立体、阴影形状恢复这类技术与深度数据结合以实现复杂表面高分辨高精度无形貌扭曲的三维重建是一种行之有效的解决途径。然而，光度立体视觉要求估计光源的信息、假设朗伯照明模型等苛刻条件，导致用于实际的复杂环境的精密测量与检测当中仍然面累计误差大、成本高等临诸多问题。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种基于反射光场偏振与空时编码的表面三维重建方法和系统，能够有效降低累计误差，实现复杂表面的高分辨高精度三维重建，且配置灵活，成本较低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种基于反射光场偏振与空时编码的表面三维重建方法，其包括：