Chinese Optics, Volume. 16, Issue 3, 500(2023)
Research progress of grating projection on machine 3D topography inspection technology
Fig. 2. Architecture of an on-machine detection system based on structured light
Fig. 4. Monocular structured light intelligent on-machine detection platform developed by our research group
Fig. 9. (a) Full automatic exposure enhancement 3D measurement system and (b), (c) it’s flow chart[32]
Fig. 10. Three dimensional measurement system of compact reflective metal workpiece[36]
Fig. 12. Repair method flow based on point cloud optimization information[50]
Fig. 13. Point cloud hole repair process based on the GA-BP algorithm
Fig. 14. Measurement and reconstruction of a large blade of an unmanned vehicle equipped with a manipulator[56]
Fig. 15. 3D reconstruction model of the inner surface of a microtubule hole [61]
Table 1. Performance and characteristics of the optical measurement system platform
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测量系统平台 测量精度 距离量程 优点 缺点 适用场景 电子经纬仪 10 μm 0~150 m 具有误差自修正功能， 抗干扰性强 内部元器件制造 误差制约测量精度 大尺寸零件装配 及尺寸检测 结构光投影测量系统 0.1~20 μm 0.1~10 m 非逐点检测，测量效率高 测量过程受反光影响 复杂形貌零件，高效测量 激光扫描仪 0.1~10 μm 0~80 m 测量精度高，便携性好 测量效率较低 小尺寸零件，动态测量 机械臂测量系统 50 μm 0~5 m 自动化程度高 场景约束性强，便携性较差 全自动化加工检测场景 白光干涉仪 纳米级或亚纳米级 150 μm~20 mm 测量精度较高 使用条件及要求较苛刻， 测量效率低 超精密加工及3C电子检测
Table 2. Typical adaptive measurement parameter calibration methods
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代表性学者 技术方法 优点 缺点 适用场景 Yao[ 17 ]图像特征向量法 标定精度高 复杂度偏高 工业化快速标定测量场景 Gao[ 18 ]视野变焦控制法 标定速度快，实时性好 难以适用于复杂检测场景 物距变化测量场景 Moru[ 22 ]参数规律统计法 无需设置初始参数 较难获取精确参数区间 采用定焦镜头的测量过程 管雯璐[ 23 ]微型自动调节装置 装置灵活、抗环境干扰强 成本较高 变温条件下的自动标定 Hojong Choi[ 25 ]步进电机自动控制法 不需人为干预，自动化水平高 装置占用空间较多 自适应焦距调节
Table 3. Comparison of typical optical saturation optimization methods
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代表性学者 技术方法 优点 缺点 适用场景 Pinzek [ 29 ]多重曝光控制法 曝光参数控制较方便，无需额外硬件系统 难以根据环境定量精确控制曝光， 耗时长 环境光照影响较为主要时的检测 Liu [ 32 ]全自动快速最佳曝光计算方法 检测过程自动化水平 较高 易影响反射率较小部位，造成曝光 不足 表面尺寸较大的反光物体检测 陈龙[ 35 ]局部自适应条纹投影法 具有针对性的处理， 不影响其他区域像素 准确的灰度阈值较难 确定 叶片、轴类表面反射率 差异大的对象检测 Liu [ 37 ]多目视点配准法 测量精度 较高 受测量空间限制，欠缺灵活性 小范围精密物体的在机检测 Zhang [ 38 ]偏振滤光 片法 可较精确控制光平衡 需要添加额外的光学及控制硬件 镜面物体的在机检测
Table 4. Comparison of representative methods of on machine dynamic phase compensation
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代表性学者 技术方法 优点 缺点 适用场景 Feng[ 40 ]周期性运动相位补偿法 对规律性误差补偿效 果好 难以应用于复杂运动 场景 匀速运动状态的相位 补偿 Deng[ 41 ]条纹阶噪声分析法 无需逐像素计算相位 误差 依赖实验条件及人工分析步骤 存在噪声的动态场景 测量 郭逸凡[ 42 ]光流补偿法 准确判断运动测量状态 对环境光线过于敏感 高速动态场景测量 Kim[ 43 ]相移格雷码结合方式 操作简单、测量速度快 易引起新的测量误差 实时在机三维扫描测量
Table 5. Common outlier removal methods
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离群点去除方法 适用场景 基于迭代优化算法 适合于在杂乱噪声中搜寻临近目标点 基于邻域信息的 点云聚类算法 适合对具有特定类型的 点云数据进行分类 基于点云频率的滤波方式 适合对较复杂形状点云模型的分割计算
Table 6. Comparison of different types of surface reconstruction technologies
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曲面类型 典型代表 曲面特点 测量难点 适用测量策略 曲面拟合方法 大尺寸曲面零件 涡轮发动机叶片、航空曲面零件 形状较规律，曲面尺寸数米至数十米 一次扫描难以测量出完整表面点云，且数据计算量庞大 采用柔性测量装置并配合多视角点云拼接方式 曲面片直接 拟合法 微型曲面零件 微型精密半导体零件、精密光学器件 曲面尺寸较微小 (毫米级) 点云分割难度较大，且较难解决 过拟合和欠拟合问题 搭载光学高倍镜头和立体显微镜的光栅条纹投影法的测量方式 样条曲线 拟合方法 复杂形状及曲面结合体 复杂腔体类零件 结构复杂，面数较多 点云模型拟合困难，测量繁琐，难以获得高精度且完整的点云模型 接触式与非接触式结构 光结合的测量方式 基于特征约束及交互式曲面拟合方法
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Hong-yu LV, Mao-yue LI, Dong-chen CAI, Wei-xiang ZHAO. Research progress of grating projection on machine 3D topography inspection technology[J]. Chinese Optics, 2023, 16(3): 500
Category: Original Article
Received: Apr. 28, 2022
Accepted: --
Published Online: May. 31, 2023
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