高动态范围条纹结构光在机检测技术及应用进展.pdf

文章编号2097-1842（2024）01-0001-18高动态范围条纹结构光在机检测技术及应用进展刘泽隆，李茂月*，卢新元，张明垒（哈尔滨理工大学先进制造智能化技术教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150080）摘要：条纹结构光技术是近年来发展迅速的非接触式测量方法，为机械加工在机检测提供了新的解决方案。由于加工环境光线复杂且金属零件本身具有高反光的特性，造成结构光在机检测的精度降低。将高动态范围(HighDynamicRange，HDR)技术应用于结构光检测中，可抑制高反光的影响，实现金属零件在复杂场景的测量。本文首先介绍了结构光测量原理，总结出 HDR 结构光在机检测面临的难点；其次，对 HDR 结构光技术进行了全面综述，以机械加工在机检测为背景，对基于硬件设备的 HDR 技术和基于条纹算法的 HDR 技术分别进行了归纳分析；然后，根据在机检测的条件需求，对各类技术进行总结，并比较不同方法的优缺点和在机检测的适用性；最后，结合近年来先进制造技术和精密测量的研究热点，对潜在应用进行分析，提出技术展望。关键词：三维测量；结构光；条纹投影；高动态范围；在机检测中图分类号：TH741文献标志码：Adoi：10.37188/CO.2023-0068On-machinedetectiontechnologyandapplicationprogressofhighdynamicrangefringestructuredlightLIUZe-long，LIMao-yue*，LUXin-yuan，ZHANGMing-lei（Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Intelligent Technology,Ministry of Education,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China）*Corresponding author，E-mail:Abstract:Fringestructuredlighttechnologyisanon-contactmeasurementmethod,whichhasdevelopedrapidlyinrecentyearsandprovidesanewsolutionforon-machinedetectioninmechanicalprocessing.However,theaccuracyofstructuredlightforon-machinedetectioniscompromisedbytheconvolutedlight-inginmachiningenvironmentsandmetalpartshighreflectivity,leadingtoinaccuratemeasurements.Apply-inghighdynamicrange(HDR)technologytostructuredlightdetectioncanreducetheeffectofhighre-flectivity,achievingthemeasurementofmetalpartsincomplexscenes.Thispaperintroducesthemeasure-mentprincipleofstructuredlightandsummarizesthechallengesofon-machinedetectionforHDRstruc-turedlight.Subsequently,thispaperprovidesacomprehensivereviewofHDRstructuredlighttechnology.Inthe context of on-machine detection of mechanical processing,the HDR technology based on hardwareequipmentandtheHDRtechnologybasedonstripealgorithmarediscussedandanalyzed,respectively.Fol-收稿日期：2023-04-16；修订日期：2023-05-15基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51975169）；黑龙江省自然科学基金资助项目（No.LH2022E085）SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51975169);NaturalScienceFoundationofHeilongjiangProvince(No.LH2022E085)第17卷第1期中国光学（中英文）Vol.17No.12024 年 1 月ChineseOpticsJan.2024lowingthis,differenttechnologiesaresummarizedaccordingtotherequirementsofon-machinedetection.Theadvantagesanddisadvantagesofvariousmethodsarepresented,andtheapplicabilityofon-machinede-tectioniscompared.Finally,thepotentialapplicationsareanalyzed,andthetechnologicalprospectswillbeproposedincombinationwiththeresearchhotspotsofadvancedmanufacturingtechnologyandprecisionmeasurementinrecentyears.Keywords:three-dimensionalmeasurement；structuredlight；fringeprojection；highdynamicrange；on-ma-chinedetection1引言航空发动机涡轮叶片、核电汽轮机大叶片、大口径光学镜面等典型的复杂曲面零件，几何精度和物理性能要求高，在机械加工过程中极易产生变形1。因此，对零件进行在机不拆卸检测，高效地检测加工质量，确保其加工精度满足要求，成为近年来先进制造领域的研究热点。传统的测量方式是将零件从机床上卸载，置于三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachine,CMM）上，通过接触式测量原理进行检测。这种方法需要将工件多次拆卸重新装夹，容易带来定位误差和装夹变形，且测量探头易对工件表面造成损伤。随着先进制造技术的推进，出现了可对零件进行非接触式的在机检测，可有效避免上述缺点，在机检测技术即在工件装夹定位状态不变的情况下，对工件进行原位检测。以光学检测为代表的非接触式测量可有效避免反复拆卸带来的影响，同时测量速度快，具备一定的实时性，测量结果可用于指导加工参数的修正2。光学测量设备主要有激光干涉仪、结构光测量仪、显微共焦仪、白光干涉仪等。其中，结构光技术具有测量原理简单、硬件成本低、测量精度高、测量速度快等优点，在工业和医学等领域受到广泛应用。另外，结构光技术算法易于集成，相关硬件可以通过与机械臂配合进行测量视点和路径规划3，受待测件尺寸的影响较小。基于结构光技术的测量效果受到相机分辨率、投影分辨率、标定精度等因素影响。其测量精度很大程度上取决于被测物体表面的光学反射特性。由于加工过程中环境光线复杂，且金属表面具有较强的镜面反射，使用传统结构光方法测量时，工业相机拍摄的条纹图像易出现过饱和，导致条纹数据信息丢失，造成重建的点云出现大面积的波纹和孔洞，无法准确得到待测物的三维信息。在商用设备市场中，著名测量系统供应商德国 GOM 和瑞典 Hexagon 通过在待测件表面喷涂一种抑制强反射的涂层，来改变材料的反射特性，使其表面由镜面反射变为漫反射，从而削弱反光，但是涂层的厚度和均匀程度主要取决于操作者的经验，极容易带来测量误差，降低测量精度。国内外学者为了解决这一问题，进行了多方面的研究。研究发现相机所拍摄条纹图像呈现过饱和现象，是因为待测件的反射强度变化程度高于相机的 0255 灰度强度范围。因此用于高反光表面测量的方法被称为高动态范围（HighDynamicRange,HDR）技术。在结构光检测方面，现有的综述大多介绍了不同的检测原理和方法4-5，针对 HDR 结构光测量技术，现有文献虽然进行了技术总结，讨论了不同技术的优缺点6-7，但未与在机加工检测结合，且随着智能技术的成熟，近两年国内外学者将深度学习等智能算法应用于结构光检测中，解决了实时在机检测、动态物体检测和 HDR 检测等问题。本文以机械加工在机检测为背景，对近年来用于测量高反光表面的 HDR 技术进行了全面综述。本文将现有技术方案归纳为基于硬件设备的 HDR 技术和基于条纹算法的 HDR 技术两大类，针对不同方法的特点，结合对加工场景在机检测的需求，总结了不同方法的技术特点，并且对HDR 结构光在机检测进行了技术展望。下文安排如下：第二部分介绍 HDR 条纹测量原理和在机检测关键问题；第三、四部分分别介绍基于硬件设备的 HDR 技术和基于条纹算法的 HDR 技术；第五部分结合加工在机检测方面面临的问题，对现有方法进行分析比较，总结特点；第六部分介绍 HDR 结构光在机检测技术的潜在应用和技术展望；第七部分为结论。2中国光学（中英文）第17卷2HDR 条纹结构光在机检测原理及关键问题分析2.1条纹结构光测量原理与传统接触式测量技术相比，三维视觉测量技术具有速度快、成本低的特点，为我国先进制造、精密工程发展战略提供新的技术支撑。如表 1所示，三维视觉测量技术根据测量过程中是否投射光源，可分为被动视觉测量和主动视觉测量。其中，面结构光式测量方法在所有结构光方法中测量效率最高，广泛应用于物体的三维测量领域。表1三维视觉测量技术分类Tab.1Classificationofthree-dimensionalvisualmeasurementtechnology视觉测量分类是否投射光源具体分类特点被动视觉测量否单目视觉测量基于图像聚焦程度完成三维重建，多用于显微视觉测量中。双目视觉测量根据三角测量原理实现三维重建，应用于双目立体摄像头。多目视觉测量增加辅助相机，通过光束平差提高测量精度。主动视觉测量是点扫描式激光器投射光点，根据光标中心坐标和标定数据进行重建，测量效率低。线扫描式激光器投射光条代替光点，提高效率，广泛应用于激光扫描仪中。面扫描式通过投影仪投射二维结构光，单次投射覆盖区域大，测量效率最高。结构光测量系统主要由工业相机、投影仪和计算机组成，其原理示意图如图 1（彩图见期刊电子版）所示。Camera 1IpIa1IpIa1Ia2IaCamera 2Fringe patternI(x,y)x(pixel)I1I2I3I4ProjectorObjectPlane图1结构光测量原理示意图8Fig.1Schematic diagram of monocular structured lightmeasurementprinciple8条纹轮廓术（FringeProjectionProfilometry,FPP）是常用的面结构光测量方法。其通过计算机获得编码条纹，经投影仪投射到待测物表面，解析变形条纹即可得到相位信息。在经典的 FPP测量系统中，常采用相移法求解相位，条纹图案为正弦光栅，条纹强度 Ii(x,y)可以表示为：Ii(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos(x,y)+2iN(i=0,1,N1),（1）式中，(x,y)是图像像素坐标，a(x,y)是条纹图像的背景光强；b(x,y)是受物体表面反射率影响的调制光强；i 表示相移步数；N 表示相移总步数；(x,y)为待求相位主值，其表达式为：(x,y)=arctanNi=1In(x,y)sin2iNNi=1In(x,y)cos2iN.（2）得到相位主值后，通过多频外差法获得连续相位，将连续相位与标定数据相结合，即可得到待测物的三维信息。2.2HDR 结构光在机检测技术关键问题分析在信息互联的智能制造背景下，利用 AGV小车和六自由度机器人搭载结构光测量设备，对加工过程中的零件进行在机检测（如图 2 所示）。该方法可避免反复拆卸产生定位误差和装夹变形，同时可提高零件整体的加工效率，有助于推进智能化加工（如图 3 所示）。加工零件结构光测量系统六自由度机器人AGV 小车数控加工机床图2结构光在机检测示意图Fig.2Schematic diagram of structured light on-machinedetection第1期刘泽隆,等:高动态范围条纹结构光在机检测技术及应用进展3消极影响优势特点受复杂光线，工件表面高反光影响，条纹数据信息丢失，测量精度降低。抑制反光影响，具有较好的光线适应性，精度提升，无装夹变形影响，不损伤待测件表面质量，加工效率高。HDR 测量技术结构光非接触式在机检测六自由度机器人视点规划路径规划起点终点运动控制AGV智能小车 环境感知定位导航调度系统HDR结构光在机测量技术数据分析前、后缘圆弧叶盆、叶背型线叶型最大厚度叶片表面质量加工参数修正零件机械加工360340320300280260Z/mm650600550500Z/mmY/mmY/mmX/mmX/mm2402202001801601001001005001000502040600050图3结构光在机检测系统架构Fig.3Architectureofon-machinedetectionsystemofstructuredlight在加工环境中，传统结构光技术易受到复杂环境光线和金属零件高反光的影响。但将 HDR技术应用于结构光在机检测中，可有效抑制相关影响，提升测量精度。结构光系统中，相机成像模型如公式(3)所示8：I=t(I1+Ip+I2)+,（3）I1I2式中：I 是图像像素强度；是相机灵敏度系数；t 是相机的曝光时间；是待测物的反射系数；Ip是投影仪的光强；是被测物体反射的环境光；是直接进入相机的环境光；是相机的噪声误差。根据该模型可知，通过改变相机的曝光量、条纹的光强和物体的反射特性，可以改进拍摄条纹图像的成像效果。基于此原理，国内外学者通过改变相机曝光度、调整投影图案强度，加置偏振滤光片，利用相位测量偏折术、光度立体技术，更改编码解码方案和深度学习智能算法等多种方法，对 HDR 测量技术进行研究。在使用 HDR 结构光技术进行在机检测时，需重点考虑如下问题：（1）零件加工时，整体处于暗房环境，但受到环境光和金属工件镜面反射影响，光线条件较为复杂，在抑制高反光的同时，不能忽略暗区域的影响。（2）测量系统的硬件设备不能过于复杂，要易于配合机床、机械臂、AGV 小车，同时零件检测的路径要易于规划，使检测方案更加集成化、智能化。（3）测量方案简单的同时，对测量速度和效率要求较高，要具有实时性，可及时反馈测量结果，指导加工参数的补偿修正。下面结合在机检测需求，详细综述各类方法的研究进展。3基于硬件设备的 HDR 结构光在机检测技术基于硬件设备的 HDR 技术是通过对结构光4中国光学（中英文）第17卷硬件设备进行改进，从而降低高反光对其测量结果的影响，主要可分为相机曝光法、偏振滤光片法、相位测量偏折术以及光度立体技术。3.1基于相机曝光技术相机的曝光是成像质量的重要影响因素，若曝光过度，则图像整体过饱和；若曝光不足，则图像整体过暗，两者都会使图像丢失细节，无法准确获得条纹信息。Zhang 等人9提出了一种快速自动曝光的方法。通过捕获一次曝光的条纹图像，来确定最佳曝光时间。所提方法虽然可以快速找到最佳曝光时间，但是适用范围受限，对于整体偏亮或偏暗的图像有较好的效果，对于加工过程中明暗混合的复杂场景，难以确定一个统一的最佳曝光时间，影响在机检测质量。多重曝光10-11技术是指将不同曝光时间下采集的图像，融合成一幅图像以避免图像饱和，从而达到较高的信噪比(SignalNoiseRatio,SNR)。Zhang等人12提出将多重曝光技术应用于三维测量，通过调整相机镜头光圈获得一组不同曝光程度的条纹图像。对陶瓷花瓶检测时，将高曝光的饱和像素用低曝光下相应的像素替换。所提方法不仅适用于相移法，对于莫尔条纹、激光干涉法同样适用。在传统多重曝光技术中，对于曝光度的选择主要依靠经验。若曝光范围选取不好，直接影响最终测量结果。为了避免依据经验选择曝光度的不可靠性，国内外学者通过相机响应函数曲线选择适合的曝光时间。Song 等人13提出利用相机响应函数来压缩动态范围，使用中等曝光数据作为参考进行图像融合。对不锈钢冲压件通过 6 次曝光进行检测实验，平均偏差（MeanAbsoluteEr-ror,MAE）为 0.06mm。Feng 等人14基于灰度直方图分布将测量出的表面反射率细分为几个组。根据相机响应函数自适应地预测每个组的最佳曝光时间。Cui 等人15利用不同曝光时间的序列图像，标定相机响应曲线函数。基于最高灰度值和最低灰度值双阈值原理，提出了曝光时间的自适应选择算法。实验表明，所提方法自动计算了4 次曝光时间，避免了基于经验调整曝光时间的缺点，提高了曝光的自动化水平和测量精度。考虑获取相机响应曲线并记录曝光时间较为繁琐，且相机响应曲线受环境光影响较大，存在误差。Rao16通过分析每个像素的条纹调制强度，设定调制阈值来自动计算多个曝光时间。实验表明，该方法最多在 5 次曝光下，即可完成 HDR 三维测量。Wu 等人17提出了一种曝光融合方法，在水平和竖直两个方向投射二值格雷码，算法流程如图 4 所示。通过拉普拉斯金字塔分解图像的加权平均值，以高斯金字塔分解图像权重，得到融合金字塔，从而获得最终图像。实验对圆柱形电池通过 8 次曝光进行检测，MAE 值为 0.0880mm，测量时间为 1436s，所提方法虽然无需拟合相机响应曲线，但是需要多组曝光数据，较为耗时。Input imagesI0I1INL00L01L02L03L11L12L13W11W12W13W01W02W03L10W10LN1LN2LN3WN1WN2WN3LN0WNR1R2R3R0W00Image-laplacianpyramidWeight map-gaussianpyramid*Fused pyramidFinal image图4曝光融合算法流程17Fig.4Theprocessofexposurefusionalgorithm17基于相机曝光技术进行结构光在机检测时，无需额外添加硬件，只需对图像进行融合处理。其核心在于曝光参数的选择，单次最佳曝光难以适用于复杂场景，而利用多重曝光的方式，需要合第1期刘泽隆,等:高动态范围条纹结构光在机检测技术及应用进展5理选择曝光时间实现对待测工件的多次测量，影响了检测效率，且曝光时间不能随意设定，应保证与投影仪的刷新率精确同步。3.2偏振滤光片法自然光经物体反射会变为部分偏振光，利用偏振成像获得反射光的偏振状态成为近年来计算机视觉的热点方向。将偏振片置于工业相机镜头前进行在机检测，可有效地达到过滤高光的目的。使用单组偏振片会将图像整体的亮度降低，影响图像的 SNR，国内外学者采用多组偏振片和图像融合的方式，来实现对高光的抑制并提高条纹图像的 SNR。Salahieh 等人18通过选择不同的偏振测量值或偏振角和曝光时间的正确组合，消除饱和或低对比度条纹区域，以保持条纹良好的可见性。平茜茜等人19在两个 CCD 相机前加装偏振片，将一个固定成 0，另一个调成 4 个角度。通过 4 幅图像的偏振信息得到梯度信息，对其积分后得到用于重构的深度信息。根据杂散光和漫反射光具有不同的光谱特性和偏振特性，郝婧蕾20对待测目标进行高光消除预处理，从而提高三维重构精度。Wang 等人21基于条纹图像生成辅助图像，确定最佳曝光时间和偏振方向，在适当的曝光时间内提取 4 种偏振方向生成复合相移图像，消除饱和以及低对比度区域。Zhu 等人22建立了相机在偏振系统下的强度响应函数，避免了复杂的偏振双向反射分布模型，可直接计算偏振片之间的角度，通过图像融合算法生成最佳条纹。该方法显著消除了高光的影响，并减少了黑白条纹之间的模糊过渡区域。上述方式与多重曝光类似，需要相机进行多次拍摄，影响在机检测的效率。因此，国内外学者利用不同偏振方向的多组相机和投影仪，同时获取不同偏振角度的条纹图像。Maeda 等人23将偏振相机前的偏振片以 0、45、90和 135放置，通过 1/4 波形板和空间光调制器与投影仪组合产生空间变换的偏振图案。偏振相机可同时获取4 个偏振方向的相移图像，从而得到三维信息，MAE 结果为 0.04mm。Xiang 等人24设计了一种由两个相机和两个投影仪构成的偏振测量系统，如图 5 所示。在测量过程中，利用入射光偏振的特性，使用两个同轴排列的偏振相机同时捕获被测表面上的变形条纹。采用两步相移算法计算相位，得到三维形状。实验均方根偏差（RootMeanSquareError,RMSE）为 0.17mm。Analyzer 1Analyzer 2Polarizer 1Polarizer 2Beam splitterMetal object(a)Projector 2Projector 1Camera 1Camera 2图5Xiang 设计的偏振测量系统24Fig.5PolarizationmeasurementsystemdesignedbyXi-ang24基于偏振滤光片的 HDR 技术易降低图像的整体亮度。这是因为其在削弱镜面反射的同时也削弱了漫反射，导致图像 SNR 下降。由于加工环境光线较为复杂，此类方法不适用于加工现场的在机检测。虽可通过选择多组偏振片进行数据融合的方式得到较好的条纹图像，但是降低了整体的测量效率。另外，对于偏振片角度的选择，需依靠人为经验并仔细调整光路，整体结构较为复杂。3.3相位测量偏折术法工业生产中的镜面和类镜面零件具有极强的镜面反射，传统结构光技术中，工业相机无法直接清晰捕获投影仪投射的条纹结构光。相位测量偏折术（PhaseMeasuringDeflectometry,PMD）是基于条纹反射原理，将传统的结构光测量系统中的投影仪用一个 LCD 显示屏代替，使计算机生成的条纹图显示在 LCD 显示屏上。相机通过被测物的镜面反射，捕捉所显示条纹图案的反射图像，再通过对捕获的图像求解相位信息，来重建被测物形状25。传统的 PMD 技术中，LCD 显示屏必须与被测物平行放置，占用了很大的测量空间，不适合紧凑的在机测量。Zhuang 等人26提出了一种紧凑的在机 PMD 技术。该方法将液晶屏垂直于被测镜面放置，用于实时测量表面形状畸变（如图 6 所示）。该方法显著扩展了传统 PMD 方法的应用范围，适用于封闭式激光设备和组装式激光系统中的实时测量。Gao 等人27利用平板分束器使系统更加紧凑。与传统配置相比显著减小了系统体6中国光学（中英文）第17卷积，测量精度在 0.001mm 之内。传统的 PMD 系统中，通常采用平面 LCD 显示屏，这限制了被测表面的可测量曲率。针对这一问题，Han 等人28将弯曲的液晶显示器用于 PMD 系统中，并利用标定参数和种子点将两个摄像头视角下重建的三维模型进行点云配准。通过仿真分析，验证了系统的曲率测量范围大于平面 LCD 显示屏的曲率测量范围。LCD screenCCD cameraLasercavityLaser beamMirrorLCD screenCCD cameraMirrorYXZ图6封闭激光腔内 COPMD 测量系统26Fig.6COPMDmeasurementsysteminanenclosedlasercavity26在大口径光学镜面的加工检测领域，美国亚利桑那大学 Su 等人29在 2010 年基于条纹反射原理，首次提出了软件可调式光学检测系统(Soft-wareConfigurableOpticalTestSystem,SCOTS)。在对 130mm 离轴抛物面进行测量时，得到了RMSE 为 1m 的测量结果。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的邵山川团队30利用条纹反射法对超精密金刚石车削反射镜进行在位面形检测。对口径为 100mm 凹球面金属反射镜进行检测，结果表明：面形检测精度（峰谷值）优于1m；与干涉仪检测结果相比，RMSE 测量结果为0.089m，其检测系统装置如图 7 所示。在大口径非球面镜面测量方面，袁婷31等人用条纹反射法对口径为 821.65mm 抛物面反射镜进行了检测，实验装置如图 8 所示。检测结果与干涉测量结果偏差仅为 0.183m。这证明条纹反射法应用于大口径非球面检测的可行性。Navarro 等人32利用 SCOTS 对直径为 4.2m 的 DanielK.Inouye太阳望远镜进行检测，其 RMSE 结果小于 20nm。由于 PMD 技术测量原理特殊，一般用于测量连续的镜面工件，如手机屏幕、天文望远镜镜面等时，测量精度较高，可达到亚微米级别，且不需太多的前期准备和后续处理工作。通过合理设计硬件布置方案，即可实现镜面工件的在机检测。但对于具有复杂特征的金属零件的加工过程，零件表面反射特性表现为镜面反射与漫反射相结合，此时，无法反射出变形的条纹，在这种情况下，此类方法不适用。Test mirrorMachiningtoolControl computerCameraCameraCameraScreenTest mirrorScreenScreen图7条纹反射在位面形检测系统中的装置30Fig.7Fringereflectionsetupinon-machinesurfacemeas-urementsystem30TestmirrorLasertrackerControlcomputerCCDcameraLCDscreen图8大口径抛物面反射镜实验装置图31Fig.8Experimental device diagram of large diameterparabolicreflector313.4光度立体技术光度立体（PhotometricStereo，PS）技术于上世纪 80 年代由 Woodham 提出33，其原理是保持观察方向不变，在不同方向照明下，将多个图像的深度信息与法向信息相结合，重建物体表面的三维形貌。光度立体技术的重点在于对物体表面法向量的计算。Lu 等人34使用卷积神经网络（Convolu-tionalNeuralNetwork,CNN）预测物体的初始法线，在多光谱光度立体框架中进行迭代优化。近年来，国内外学者将双向反射分布函数（Bidirec-tionalReflectanceDistributionFunction,BRDF）应用于光度立体技术中，进行法向量求解，用于检测和分离高反射成分35-36。国内外学者还对照明系统进行了重点研究，通过合理设计光源数量和角度，得到准确的法线信息。Pei 等人37提出的测量系统由投影仪、工业相机和 29 个发光二极管构成。利用 FPP 测量得到待测物点云，通过近场光度立体系统得到像素的法向信息，将两者融合，进而得到完整的点第1期刘泽隆,等:高动态范围条纹结构光在机检测技术及应用进展7云。测量结果与 CMM 测量数据相比，RMSE仅为 0.0069mm，峰谷值偏差为 0.0094mm。Meng等人38将照明系统放置在 30 个不同方向上，所得均方根误差为 0.0053mm。然而，由于系统测量角度约为7，限制了可以重建的曲面范围。光度立体技术具有多个照明光路，能够实现相互补盲，精度可达到 0.01mm 之内，有助于实现 HDR 测量。但是，测量结果依赖于反射模型，对于加工过程中的零件，由于其表面的反射情况复杂及形状未知，对反射模型进行标定不具有普适性，容易带来测量误差，且测量系统较为复杂，测量场景具有较大的限制性，难以与加工机床和机械臂配合实现在机测量。基于硬件设备的 HDR 技术在硬件上对传统FPP 技术进行了改进，使相机可以拍摄到较为清晰的条纹图像，从而降低了反光对测量精度的影响。表 2 分析了上述技术的测量精度以及有无额外硬件方面的对比情况。对于测量精度，本文仅对各参考文献中的精度进行了总结。由于不同实验时，所测工件尺寸、表面反射属性和测量环境不同，因此测量精度的比较不具有普遍性。表2基于硬件设备的 HDR 技术对比Tab.2Comparison of HDR technologies based onhardwaredevicesHDR技术额外硬件测量精度参考文献相机曝光无MAE0.1mm13,17偏振滤光片偏振片MAE0.1mm23-24相位偏折术LCD显示屏MAE0.001mm27,30-31光度立体法多个光源MAEeger，高衰减红色通道可以接受非常高的亮度而不饱和，而低衰减蓝色通道则对低亮度更敏感。因此，国内外学者研究了彩色条纹和彩色相机，用于 HDR测量。(a)拜耳滤波器(a)Bayer filter(b)中性密度滤波器(b)Neutral density filter ebegebImaxLbLgLregerer(c)不同衰减的灵敏度曲线(c)Sensitivity curves of different attenuation LuminanceIntensity图10彩色图像不同通道亮度衰减原理图51Fig.10Schematicdiagramofbrightnessattenuationindif-ferentchannelsofcolorimage51Wang 等人49在保持相机曝光度不变的前提下，通过投射 7 组不同颜色的条纹，从中选择灰度范围分布较大的 4 组条纹（蓝色、黄色、青色和白色）进行合成。该方法的缺点是对于投影仪的刷新率有较高的要求。Chua 等人50使用 RGB 通道控制投影强度，来隔离不同颜色通道，将通道分为最高强度通道（蓝色通道）、中等强度通道（绿色通道）和最低强度通道（红色通道）。在每个通道下都可独立计算 3D 数据，达到增加测量动态范围的目的。使用不同颜色条纹进行多次投影时，需要高刷新率的投影仪才能保证测量效率，对硬件要求较高。因此，国内外学者还提出利用彩色相机拍摄单色条纹，再通过分离不同颜色通道实现HDR 测量。Yin 等人51从条纹图像中分离出 R、G、G 和 B 通道的 4 个单色子图像，校准 R&G、G&B 通道之间的衰减比后，用 4 个子图像合成一幅 HDR 的图像，从而避免了不良曝光的影响。实验分析相位平均误差（PhaseAverageError,PAE）在 0.03rad 内。Zheng 等人52将绿色二值条纹投射到被测物上，使用彩色相机拍摄两张不同强度的条纹图像，进而分离出 6 张单通道图像，合成出 1 幅 HDR 图像后进行解码。Liu 等人53将蓝色条纹投影到待测物上，并利用彩色相机采集第1期刘泽隆,等:高动态范围条纹结构光在机检测技术及应用进展9图像。利用 R、G、B 三通道对光线的响应不同这一特性，将 1 幅条纹图像和 1 幅常规图像分成 6 幅具有不同亮度级别的单色图像。从每组图像中选择最亮但不饱和的对应像素生成最终的HDR 图案，对其进行傅立叶解码，可以对具有光泽表面的动态物体进行测量，实验对撕 A4 纸的过程进行测量，测量效果如图 11（彩图见期刊电子版）所示。(a)条纹图像(a)Fringe pattern image(b)Liu 所提方法的测量结果(b)The measurement result by Lius method600500400300Y/PixelX/Pixel2001000600160140120100Height/mm806040200160140120100Height/mm806040200500400300Y/Pixel20010000100 200 300 400 500 600 700X/Pixel0100 200 300 400 500 600 700(c)传统 FTP 测量结果(c)The measurement result by conventional FTP 图11Liu 所提方法的动态物体测量结果53Fig.11ThemeasurementresultsofdynamicobjectsbyLiusmethod53基于颜色信息的 HDR 技术需要对不同颜色通道进行条纹编码，后续还需逐个通道对相位信息进行求解，再最终融合，因此算法编程复杂程度较高。但编程后算法运行较快，可在一定程度上抑制反光的影响，满足在机检测的需求。当被测的加工件具有复杂的纹理特征和多种颜色时，此类方法会受到限制，测量精度有所下降。4.3基于图案编码、解码方案的 HDR 技术除了对条纹图案亮度进行调整之外，国内外学者还通过对投影图案的编码和解码进行调整，从而防止高反射引起的相位丢失。Zhang 等人8首次提出了混合质量的概念，以更全面地评估相位质量。在混合质量这一概念的指导下，对所有初始相位进行加权融合，以获得更精确的相位作为最终相位。Chen 等人54提出了一种相位求解方法，将同一频率下存在饱和现象的帧去除，至少保留 3 张有效条纹，用余下条纹进行相位求解，其 PAE 结果可在 0.01rad 内。Ji-ang 等人55利用反向条纹和常规条纹的组合代替饱和条纹进行相位恢复，以减少相位误差，相位RMSE 结果从 0.29rad 减少到 0.02rad。然而，在估算饱和像素时，缺乏通用的公式。在 Jiang 方法基础上，Wang 等人56将反转条纹和常规条纹的互补技术与广义相移算法相结合，投影规则条纹和反向条纹两组互补相移条纹。从两组条纹图中选择相同相机像素处的所有非饱和强度值，并使用广义相移算法检索相位，可以同时减少因饱和像素和伽马效应引起的误差。使用正弦条纹投射时，与条纹图像在饱和区域的灰度值达到 255 时，出现截断现象，不满足正弦规律，使该区域的相位信息丢失，引起相位求解误差。对于这一情况，在文献 57 中提到，当绝对相位范围在 0,2)时，相位误差 可以表示为：2=22N f2B2,（4）式中，是高斯分布噪声的方差；N 是相移步长；f 是条纹频率；B 是条纹调制。根据式（4）可知，在条纹调制固定的情况下，可以通过增加相移步长和条纹频率的方式降低相位误差。基于此原理，Chen 等人58通过模拟分析得出以下结论：当相移步数 N 与条纹频率 P 满足整数倍关系时，饱和情况下的条纹也可恢复精确的相位。He 等人59设计了一种棋盘式的高频条纹图案，在解码过程中，通过交叉位置而不是单个图像强度来提取编码信息。所提方法具有较好的鲁棒性，其测量精度在 0.04mm 内。对于显微结构光三维测量方法，由于其景深较小，密集的高频条纹容易出现散焦，从而影响测量结果。针对这一问题，Hu 等人60提出一种多频相移方案，采用相位融合的方式，用密度较低的条纹图像计算绝对相位，代替饱和区域中不可用的相位，从而降低相位误差的影响。所提方法可有效用于手表零件、封装的芯片等微小反光物体的测量，测量结果如图 12（彩图见期刊电子版）所示。10中国光学（中英文）第17卷(e)1086420246810 8 6 4 2 0X/mm246810 12108 6 4 2 0X/mm2468 10 12108 6 4 2 0X/mm2468 10 12Y/mm1086420241.201.221.241.261.281.201.221.241.261.281.201.221.241.261.2868Y/mm10864202468Y/mm(f)(g)(h)(a)(b)75311Y/mmX/mmX/mmX/mm35798 6 4 20246810 128 6 4 20246810 128 6 4 20246810 1273.02.82.62.42.22.03.02.82.62.42.22.03.02.82.62.42.22.05311Y/mm357975311Y/mm3579(c)(d)图