红外与激光工程 | 河北工业大学校庆专刊：面向结构光三维测量的相位展开技术综述（特邀）_活动资讯_资讯信息

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编者按

为庆祝河北工业大学校庆120周年，《红外与激光工程》联合河北工业大学共同出版“河北工业大学校庆专刊“，特邀请张宗华教授撰写“面向结构光三维测量的相位展开技术综述” 文章，综述了相位展开技术的基本原理、国内外研究现状、各类方法的优缺点和未来发展方向。（查看全文信息请点击文末“阅读原文”）

撰稿人：张宗华，李雁玲

论文题目：面向结构光三维测量的相位展开技术综述（特邀）

作者：张宗华，李雁玲，高峰，高楠，孟召宗，蒋向前

完成单位：河北工业大学机械工程学院；赫德斯菲尔德大学精密技术中心

导读

结构光三维形貌测量方法越来越多的应用于逆向工程、航空航天、生物医学、文物保护等领域。相位展开作为结构光三维测量中的一个关键环节对测量精度、速度和可靠性起着决定性作用。本文综述了相位展开技术的基本原理、国内外研究现状、各类技术的优缺点和未来发展方向。

图1 结构光三维形貌测量方法测量步骤

首先，根据相位展开计算技术不同，将现有用于结构光三维形貌测量的相位展开技术分为以下四类进行详细的介绍：时间相位展开技术、空间相位展开技术、基于深度学习的相位展开技术和其他相位展开技术。然后，详细比较了各种技术的优缺点。最后，总结了相位展开技术的特点并展望了该技术的未来研究方向。基于本文综述的内容，研究者们可用于了解各类相位展开技术的原理与进展，进而根据不同技术的特点对比结合应用需求和测量条件选择最有效的相位展开技术，实现三维形貌的精确测量。

研究背景

相位展开是涉及多个应用领域中的关键技术问题，包括数字全息干涉、卫星雷达干涉测量、核磁共振成像、光学相干层析成像和条纹投影轮廓术等。本文主要综述应用于结构光三维形貌测量技术中的相位展开技术。由于光学测量技术的非接触、测量精度高、效率高、速度快和适用范围广等优点，使得光学三维形貌测量在先进制造业的精密测量、航空航天船舶相关零部件检测、计算机视觉、生物医学制造、虚拟现实和文化遗产保护等领域得到了广泛应用。相位展开是三维形貌测量技术中的关键步骤，相位展开结果的精度和准确度对最终三维测量结果有着关键的影响。

图2 (a) 条纹频率为9的折叠相位；(b) 条纹频率为8的折叠相位；(c) 条纹频率为6的折叠相位；(d) 展开相位

条纹投影测量三维形貌过程中常用相移法分析条纹，得到包裹相位（也称折叠相位）。由于相位恢复过程中反正切函数的使用，包含被测表面信息的相位位于区间(-π，π］的截断相位之中，因此真实的相位信息需要进行相位展开得到连续的相位分布。随着三维形貌测量目标的复杂度增加，实际测量中用于相位展开的包裹相位图并非完美，经常存在局部阴影或低条纹调制、表面亮度不均匀、条纹不连续和欠采样等问题，增加了相位展开的复杂度。为了实现高效、高精度和更高可靠性的相位展开，相关研究者对相位展开技术的研究也越来越多。

图3 折叠相位计算过程：（a）四步相移标准正弦图像；（b）折叠相位；（c）某一行的折叠相位曲线

图4 相位展开过程原理图

根据相位展开的计算方法不同，可以将其大致分为以下四种：时间相位展开技术、空间相位展开技术、基于深度学习的相位展开技术和其他相位展开技术。其中其他相位展开技术大致包括时空相位展开技术、基于几何约束的相位展开技术和多种相位展开相融合的技术等。时间相位展开技术具有较高的精度和鲁棒性，此外也可以对不连续表面实现高精度测量。但是由于投射的条纹图案较多，因此测量效率具有一定的限制。空间相位展开具有高效和稳健的优点，但是由于噪声、表面反射率变化和其他因素的存在，空间相位展开也存在一定的局限性，空间相位展开技术不适用于非连续表面的测量。基于深度学习的相位展开技术具有高效性能和一定的精度，不仅可以用于时间相位展开，也可用于空间相位展开。但是收集和标记实验训练数据的成本很高，且训练模型所需的数据集对于测量结果的准确性影响较大。

本文详细的介绍了时间相位展开技术、空间相位展开技术和基于深度学习相位展开技术的基本原理，并且总结了各个技术的优化与发展过程，讨论各种相位展开技术的优缺点，明确指出对于不同的测量条件和测量对象哪种测量方法更能保证测量性能，并阐述了相位展开技术未来的发展方向。满足测量效率、测量速度和测量精度的新需求，将会使得光学三维形貌测量方法在工业应用和科研领域有新的突破。

主要内容

本文综述了相位展开技术的研究进展：介绍了相位展开技术的基本原理；将现有的相位展开技术进行分类，主要分为时间相位展开技术、空间相位展开技术、基于深度学习的相位展开技术和其他相位展开技术，并详细综述各类技术的研究现状以及优缺点和适用性分析；对不同技术的几种主要特点进行了比较和分析；总结分析了相位展开技术的未来研究趋势和可能的研究方向。

图5 相位展开技术分类

时间相位展开技术的相位展开结果具有良好的鲁棒性和准确性，也可用于测量非连续表面，因此应用范围较广。虽然空间相位展开技术测量精度相对时间相位展开技术较差一些，但是具有测量速度快的优势，可以有效用于动态物体测量。为了避免传统时间和空间相位展开技术中存在的问题，从优势互补、结合时间和空间技术在测量时间和测量精度上取折衷，提出了时空相位展开技术。该技术测量结果达到比时间相位展开速度快，比空间相位展开精度高，但是测量精度不及时间相位展开，测量速度不及空间相位展开。为了克服传统的时间和空间相位展开技术的一些限制，基于几何约束的相位展开技术被相继提出。利用测量仪器与相位的空间约束特性实现相位展开，测量速率得到了有效的提升。但是该技术的测量深度范围具有一定的局限性，此外也会增加测量成本。引入其他新的约束条件用于相位展开技术也在不断的探索过程中。计算机技术的发展使得深度学习越来越广泛的应用到光学计量中，深度学习可以克服传统时间相位展开技术和空间相位展开技术的不足，实现快速测量的同时保证一定的精度。但是对于不同的基于深度学习的相位展开技术也存在着一定的不足之处，比如：需要合适的数据集、训练合适的网络模型、可靠性不稳定、硬件设施要求高、需额外增加预处理和后处理步骤等。相关学者们也对部分相位展开技术做了一定的分类和对比。为了更好地对前述的相位展开技术进行说明，本文对几种典型的相位展开技术的性能进行了总结，如表1所示。

表1 典型相位展开技术对比

从所需的投影条纹图案数目、测量速度、抗噪性能和计算精度方面进行了比较。对表1中的相位展开技术进行以下讨论：

（1）相位展开过程中所需的投影条纹图案数目。由于条纹图案上携带着空间和相位信息，对于时间相位展开而言，数目越多则测量精度越高；而空间相位展开技术所需的图案数目较少。基于深度学习的相位展开技术和其他相位展开技术以及用于高速测量需求的相位展开技术都在趋向于减少条纹图案数目。

（2）测量速度的影响因素。所需条纹图案的数目(包括是否需要增加额外的条纹投案)、测量所需的时间、计算复杂度、相位展开过程是否需要预处理和后处理步骤等，不同的技术会从一个或多个因素来加快测量速度。针对静态物体对测量速度没有明确的限制，而对于高动态物体则需要对测量速度提出更高的要求，尤其是对测量过程所需要投影条纹的数目提出了更高的要求。

（3）抗噪性能是决定测量精确度和可靠性的关键因素。实际测量环境中的噪声因素不可避免，为了尽可能的减少噪声对测量结果的影响，从方法原理的抗干扰性和误差扩散、采用的条纹投影图案对噪声的抑制作用和对技术的改进中通过预处理、后处理或者滤波等技术实现增强相位展开的抗噪性能。在各类展开技术中，空间相位展开技术的抗噪性相对较差，从原理上空间相位展开依赖于相邻像素实现相位展开，因此该技术对噪声较为敏感。

（4）相位展开精度是决定三维测量结果精度的关键因素。针对测量精度要求高的场景，可以选择时间相位展开技术中的多频相位展开技术实现高精度测量，基于深度学习的相位展开技术也在一定程度上达到高精度要求。

结论与展望

时间相位展开技术多用于对测量精度要求较高，且对测量时间要求较低的测量场景中，其中相移与格雷码相结合的结构光三维测量方法也逐渐被证明可有效用于高速高动态测量。空间相位展开技术由于具有测量速度快的优势则多用于对测量速度要求较高且对测量精度要求较低的测量场景中。基于深度学习的相位展开技术则可以在一定程度上解决时间相位展开和空间相位展开技术中的不足。已有的研究逐渐证明了兼具测量效率和测量精度的相位展开技术的可靠性，但是将其广泛应用到实际测量中还存在一定的局限性。此外，针对特定的测量场景和测量需求而被提出的其他相位展开技术，比如时空相位展开、几何约束和光度约束等技术，也在测量精度和复杂场景测量中具有一定的突破。针对相位展开技术在条纹投影三维形貌测量方法中的重要性和影响精度的因素，总结未来发展方向包括以下五点：

(1) 减少投影图案数量；

(2) 增强抗噪性和鲁棒性；

(3) 减小计算的复杂度；

(4) 提高相位展开精度；

(5) 实现高速实时测量。

作者及团队介绍

团队介绍：

课题组依托于河北工业大学机械工程学院光学智能多维感知实验室(OIMS)。团队主要研究方向包括光学三维测量、计算机视觉、三维场景重建和新型感知计算及网络，积极在先进制造业、航空航天相关精密零部件检测、工业无损检测和生物医学等领域拓展应用。

团队负责人介绍：

张宗华，河北工业大学机械工程学院教授、仪器科学与技术学科带头人、测控技术与仪器专业负责人。从事光学三维测量原理和相关技术的研究，并在产业中得到广泛应用。主持国家重大科学仪器设备开发专项课题、国家自然科学基金等20多项国家与部省级重点项目。荣获欧盟玛丽?居里学者、教育部新世纪优秀人才、河北省杰出技术专业人才、河北省三三三人才工程一层次、河北省政府特殊津贴专家、天津市中青年科技创新领军人才和重点领域创新团队负责人、江苏省双创人才等称号。发表论文230余篇，在国内外会议做邀请报告50余次，授权国家发明专利40余项。以第一完成人获中国专利优秀奖1项、天津市专利奖金奖1项、中国光学工程学会技术发明一等奖1项、河北省技术发明二等奖1项、中国仪器仪表学会技术发明二等奖1项。现任《Optics Express》和《Visual Intelligence》的Associate Editor、《Scientific Reports》和《红外与激光工程》的编委。

高楠，河北工业大学机械工程学院副教授，硕士生导师，2012年获天津大学博士学位，从事光学测量与光谱检测方面的研究。出版教材两部，发表论文40余篇，授权发明专利20余项；主持河北省自然科学基金1项，参与承担国家、省部级项目9项，承担省部级教改项目3项。作为合作完成人获中国专利优秀奖1项、天津市专利奖金奖1项、中国光学工程学会技术发明一等奖1项、河北省技术发明二等奖1项、中国仪器仪表学会技术发明二等奖1项。

孟召宗，2014年获英国哈德斯菲尔德大学博士学位，曼彻斯特大学、南安普敦大学博士后，主要从事新型感知计算及网络、工业过程信息物理融合计算及光学三维测量与场景重建方面的研究。现为河北工业大学机械工程学院副教授，博士生导师，河北省杰出青年科学基金获得者，河北工业大学“元光学者”，曾作为核心研究人员参与欧盟第七框架项目2项，主持在研/完成国家自然科学基金项目2项、河北省自然科学基金项目2项、河北省引进海外高层次人才项目1项。

文章信息

张宗华, 李雁玲, 高峰, 高楠, 孟召宗, 蒋向前. 面向结构光三维测量的相位展开技术综述（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230126. doi: 10.3788/IRLA20230126

全文链接：http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230126（阅读原文）

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