、项目名称：  光学三维传感原理与方法研究

推荐单位：    教育部

项目简介：    本项研究属信息科学领域中的基础研究，在4个国家自然科学基金项目资助下完成。主要研究光学三维传感的原理与方法，即用光学的手段获得物体三维空间信息的原理、方法和相关技术。光学三维传感原理与方法是建立真实世界与虚拟数字世界之间联系的桥梁，具有重要的科学意义，在工业检测、快速原型、虚拟现实、影视特技、制鞋服装等领域具有广阔应用前景。本项目在相位测量轮廓术(PMP)、傅立叶变换轮廓术(FTP)、调制度测量轮廓术(MMP)、复杂位相场展开等方面做出了一批有创造性的成果。提出准正弦结构照明光场理论模型，建立了位相－高度映射的线性模型和双向二次拟合模型。提出π相移FTP方法，从离散傅里叶变换的角度给出了测量范围和抽样频率选择法则。率先提出MMP原理，实现对复杂三维面形的垂直测量。率先提出可靠性导向的复杂相位展开原理。提出动态三维面形传感原理和三维相位展开方法。对点结构光传感器、线结构光传感器、激光散斑对三维测量精度的影响、系统的校准等问题进行了深入研究。科学价值及同行引用情况：提出的准正弦结构照明光场理论模型、建立的位相－高度映射和二次拟合模型，提高了测量精度。提出π相移FTP方法可以使三维测量的深度变化范围提高3倍。针对FTP中的理论缺陷，从离散傅里叶变换的角度给出了测量范围和抽样频率选择法则。提出的调制度测量轮廓术原理，解决了复杂三维传感中不连续表面测量问题。提出了双频栅时间相位展开和可靠性导向的空间相位展开方法，在复杂相位场展开方面处于国际领先水平。首次实现高速旋转和旋涡类动态过程的三维传感。本项目发表的论著被SCI收录28篇、EI收录50余篇，论著被SCI他人正面引用245篇次，得到国内外同行公认和广泛引用。主要成果7次在相关国际会议上作特邀报告，主要完成人10余次担任相关国际会议学术领导职务，受到国际同行的广泛关注和尊重。部分理论成果已应用于工程实际，产生了显著的经济与社会效益。

主要发现点：  （1） 首次提出准正弦结构照明光场理论模型，建立了位相－高度映射的线性模型和双向二次拟合模型。提出一种对在非恒定环境光条件下采集的条纹图进行修正的有效算法,为PMP系统在较为恶劣的环境下的应用打下了基础。建立了相位－高度映射和横向坐标同时校正方法。提出了一种新的基于"洪水模式"的图像拼接算法以及消除载波影响的新的相位算法。属于技术光学学科，主要附件中支持该发现点的论文编号：1，2，3

（2） 首次提出π相移傅立叶变换轮廓术，使三维测量的深度变化范围提高3倍。针对FTP中的理论缺陷，首次从离散傅里叶变换的角度给出测量范围和抽样频率选择法则。提出二维傅立叶变换轮廓术，导致高度信息与噪声更好的分离。属于光学信息处理理论学科，支持该发现点的论文编号4，5，6

（3） 在国际上率先开展调制度测量轮廓术（MMP）研究工作，提出一种全新的光学三维轮廓测量方法。这种方法基于投影到待测物面上的正弦条纹的调制度分布获取三维空间信息。由于原理上的创新，投影方向和探测方向保持一致，可以实现对物体的垂直测量，和测量物表面高度剧烈变化或不连续的区域，开创了三维传感中以调制度测量为基础的"垂直测量"新的原理和方法。属于技术光学学科，支持该发现点的论文编号：7

（4）在国际上率先提出基于可靠性导向的空间相位展开方法以及双频光栅的时间位相展开方法。从条纹图形成的内在物理机理出发，研究并发现了条纹调制度、条纹空间频率等参数与相位可靠度之间明确的对应关系，最终形成独特的基于可靠性导向的相位展开理论和基于可靠性排序的相位展开方法。该理论和算法适用于复杂三维面形测量系统并已用于复杂光学波面检测、全息干涉计量、干涉合成孔径雷达数据处理和光弹测量领域，成为一种普适性的原理和方法。属于信息光学学科，支持该发现点的论文编号：8，

（5）提出三维物体360度面形测量方法，提出线结构光传感器的系统校准方法。提出激光散斑对三维测量精度影响的理论分析和解决方案。已用于叶片、旋转体等物体三维面形测量。属于技术光学学科，支持该发现点的论文编号：9

（6） 提出动态三维面形传感原理和方法以及三维空间相位展开方法。首次实现对高速旋转和液体旋涡类动态过程的实时三维传感，实现了对冲击和爆轰过程的三维传感。属于技术光学学科，支持该发现点的论文编号：10

主要完成人：  1.   苏显渝

主持项目包含的所有基金，提出项目总体学术思想，确定主要研究内容，制定研究计划。提出第一发明点中包含的准正弦结构光场理论模型；提出第二发明点包含的π相移傅立叶变换轮廓术；提出第三、四、五发明点所包含的原理和方法等。作为第一作者或导师发表主要论文，投入该项研究中的工作量占本人工作量的80%。对项目贡献重大。

2.   陈文静

参加两项国家自然科学基金，系统地研究了傅里叶变换轮廓术的原理和方法，提出第二发明点中所涉及的抽样对傅里叶变换测量范围的影响，并给出了抽样频率选择法则，提出采用灰度图和小波变换消除零频对FTP影响的思想，研究了第四发明点中涉及的基于可靠度的相位展开问题。作为第一作者或合作者在本项中发表了多篇论文。投入该项研究中的工作量占本人工作量的60%。对本项目的完成作出了重要贡献。

3.   张启灿

参加两项国家自然科学基金，系统地研究了动态三维面形传感方法，提出第六发明点中动态三维传感和三维空间相位展开原理和方法。首次实现对液体旋涡类、高速旋转物体以及冲击和爆轰动态过程的实时三维传感并获得其三维动态数字图像。投入该项研究中的工作量占本人工作量的60%。对本项目的完成作出了重要贡献。

4.   李万松

参加两个国家自然科学基金。系统研究了位相测量轮廓术（PMP）的原理和方法，完成第一发明点中涉及的位相－高度映射的线性模型和双向二次拟合模型以及在非恒定环境光条件下采集的条纹图的有效修正算法。投入该项研究中的工作量占本人工作量的40%。对本项目的完成作出了重要贡献。

5.   曹益平

参加一项国家自然科学基金，研究了动态三维面形传感方法，完成了第六发明点涉及的高速旋转物体的实时三维传感，负责信息处理电路的设计及实验研究工作，在解决实验技术难点方面发挥重要作用。投入该项研究中的工作量占本人工作量的40%。对本项目的完成作出了重要贡献。

10篇代表性论文：  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