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、項目名稱： 光學三維傳感原理與方法研究
推薦單位： 教育部
項目簡介： 本項研究屬信息科學領域中的基礎研究，在4個國家自然科學基金項目資助下完成。主要研究光學三維傳感的原理與方法，即用光學的手段獲得物體三維空間信息的原理、方法和相關技術。光學三維傳感原理與方法是建立真實世界與虛擬數字世界之間聯系的橋梁，具有重要的科學意義，在工業檢測、快速原型、虛擬現實、影視特技、制鞋服裝等領域具有廣闊應用前景。本項目在相位測量輪廓術(PMP)、傅立葉變換輪廓術(FTP)、調制度測量輪廓術(MMP)、復雜位相場展開等方面做出了一批有創造性的成果。提出準正弦結構照明光場理論模型，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量范圍和抽樣頻率選擇法則。率先提出MMP原理，實現對復雜三維面形的垂直測量。率先提出可靠性導向的復雜相位展開原理。提出動態三維面形傳感原理和三維相位展開方法。對點結構光傳感器、線結構光傳感器、激光散斑對三維測量精度的影響、系統的校準等問題進行了深入研究。科學價值及同行引用情況：提出的準正弦結構照明光場理論模型、建立的位相－高度映射和二次擬合模型，提高了測量精度。提出π相移FTP方法可以使三維測量的深度變化范圍提高3倍。針對FTP中的理論缺陷，從離散傅里葉變換的角度給出了測量范圍和抽樣頻率選擇法則。提出的調制度測量輪廓術原理，解決了復雜三維傳感中不連續表面測量問題。提出了雙頻柵時間相位展開和可靠性導向的空間相位展開方法，在復雜相位場展開方面處于國際領先水平。首次實現高速旋轉和旋渦類動態過程的三維傳感。本項目發表的論著被SCI收錄28篇、EI收錄50余篇，論著被SCI他人正面引用245篇次，得到國內外同行公認和廣泛引用。主要成果7次在相關國際會議上作特邀報告，主要完成人10余次擔任相關國際會議學術領導職務，受到國際同行的廣泛關注和尊重。部分理論成果已應用于工程實際，產生了顯著的經濟與社會效益。
主要發現點： （1） 首次提出準正弦結構照明光場理論模型，建立了位相－高度映射的線性模型和雙向二次擬合模型。提出一種對在非恒定環境光條件下采集的條紋圖進行修正的有效算法,為PMP系統在較為惡劣的環境下的應用打下了基礎。建立了相位－高度映射和橫向坐標同時校正方法。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。屬于技術光學學科，主要附件中支持該發現點的論文編號：1，2，3
（2） 首次提出π相移傅立葉變換輪廓術，使三維測量的深度變化范圍提高3倍。針對FTP中的理論缺陷，首次從離散傅里葉變換的角度給出測量范圍和抽樣頻率選擇法則。提出二維傅立葉變換輪廓術，導致高度信息與噪聲更好的分離。屬于光學信息處理理論學科，支持該發現點的論文編號4，5，6
（3） 在國際上率先開展調制度測量輪廓術（MMP）研究工作，提出一種全新的光學三維輪廓測量方法。這種方法基于投影到待測物面上的正弦條紋的調制度分布獲取三維空間信息。由于原理上的創新，投影方向和探測方向保持一致，可以實現對物體的垂直測量，和測量物表面高度劇烈變化或不連續的區域，開創了三維傳感中以調制度測量為基礎的"垂直測量"新的原理和方法。屬于技術光學學科，支持該發現點的論文編號：7
（4）在國際上率先提出基于可靠性導向的空間相位展開方法以及雙頻光柵的時間位相展開方法。從條紋圖形成的內在物理機理出發，研究并發現了條紋調制度、條紋空間頻率等參數與相位可靠度之間明確的對應關系，最終形成獨特的基于可靠性導向的相位展開理論和基于可靠性排序的相位展開方法。該理論和算法適用于復雜三維面形測量系統并已用于復雜光學波面檢測、全息干涉計量、干涉合成孔徑雷達數據處理和光彈測量領域，成為一種普適性的原理和方法。屬于信息光學學科，支持該發現點的論文編號：8，
（5）提出三維物體360度面形測量方法，提出線結構光傳感器的系統校準方法。提出激光散斑對三維測量精度影響的理論分析和解決方案。已用于葉片、旋轉體等物體三維面形測量。屬于技術光學學科，支持該發現點的論文編號：9
（6） 提出動態三維面形傳感原理和方法以及三維空間相位展開方法。首次實現對高速旋轉和液體旋渦類動態過程的實時三維傳感，實現了對沖擊和爆轟過程的三維傳感。屬于技術光學學科，支持該發現點的論文編號：10
主要完成人： 1. 蘇顯渝
主持項目包含的所有基金，提出項目總體學術思想，確定主要研究內容，制定研究計劃。提出第一發明點中包含的準正弦結構光場理論模型；提出第二發明點包含的π相移傅立葉變換輪廓術；提出第三、四、五發明點所包含的原理和方法等。作為第一作者或導師發表主要論文，投入該項研究中的工作量占本人工作量的80%。對項目貢獻重大。
2. 陳文靜
參加兩項國家自然科學基金，系統地研究了傅里葉變換輪廓術的原理和方法，提出第二發明點中所涉及的抽樣對傅里葉變換測量范圍的影響，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FTP影響的思想，研究了第四發明點中涉及的基于可靠度的相位展開問題。作為第一作者或合作者在本項中發表了多篇論文。投入該項研究中的工作量占本人工作量的60%。對本項目的完成作出了重要貢獻。
3. 張啟燦
參加兩項國家自然科學基金，系統地研究了動態三維面形傳感方法，提出第六發明點中動態三維傳感和三維空間相位展開原理和方法。首次實現對液體旋渦類、高速旋轉物體以及沖擊和爆轟動態過程的實時三維傳感并獲得其三維動態數字圖像。投入該項研究中的工作量占本人工作量的60%。對本項目的完成作出了重要貢獻。
4. 李萬松
參加兩個國家自然科學基金。系統研究了位相測量輪廓術（PMP）的原理和方法，完成第一發明點中涉及的位相－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境光條件下采集的條紋圖的有效修正算法。投入該項研究中的工作量占本人工作量的40%。對本項目的完成作出了重要貢獻。
5. 曹益平
參加一項國家自然科學基金，研究了動態三維面形傳感方法，完成了第六發明點涉及的高速旋轉物體的實時三維傳感，負責信息處理電路的設計及實驗研究工作，在解決實驗技術難點方面發揮重要作用。投入該項研究中的工作量占本人工作量的40%。對本項目的完成作出了重要貢獻。
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
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