王永紅，張 倩，胡 寅，王歡慶

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引 言

隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，器件不斷向著小型化、精密化、集成化的方向發(fā)展，具有代表性的集成電路、微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）等得到廣泛應(yīng)用，快速精確地獲取微型器件表面信息并進行缺陷檢測對于集成電路和MEMS等產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的基于一維信號或二維圖像的檢驗方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)測量的要求，快速準確地對3D微結(jié)構(gòu)信息進行定量分析和表征成為工業(yè)設(shè)計過程中的重要一環(huán)?；诠鈱W(xué)成像的三維測量技術(shù)因具有高魯棒性、高效率、全場性、非接觸、易操作和高精度等優(yōu)勢，普遍應(yīng)用于逆向工程、醫(yī)學(xué)檢測、文物保護、仿生工程、虛擬現(xiàn)實等眾多領(lǐng)域[1]。

目前，三維測量技術(shù)朝著兩個方面發(fā)展：一是面向機械裝配與制造的大尺寸、超大尺寸的三維形貌測量；另一方面，隨著微光學(xué)、微流體技術(shù)和芯片實驗室在內(nèi)的微系統(tǒng)的發(fā)展，工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品更加精確化和小型化。針對測量尺寸在毫米級及以上的微結(jié)構(gòu)物體，研究者們使用了很多無損測量方法，如數(shù)字全息照相術(shù)[2]，白光干涉法[3]，光纖探針法[4]和共聚焦顯微鏡干涉法[5]等，可以達到亞微米甚至納米級別的測量精度，測量范圍在亞毫米、微米或亞微米尺度。但是這些方法大多基于光學(xué)干涉測量，要求測量系統(tǒng)有穩(wěn)定的光學(xué)結(jié)構(gòu)和高精度的機械部件，且有些方法僅適用于定性觀察，不適合于定量評估?；诠鈱W(xué)三角法的顯微條紋投影輪廓測量技術(shù)(Microscopic Fringe Projection Profilometry，MFPP)[6]測量靈活度及效率較高，可以達到微米級測量精度以及毫米級的測量視場，適用于絕大部分工業(yè)微型器件的測量。

由于被測物體視場小，與傳統(tǒng)的條紋投影測量輪廓術(shù)(Fringe Projection Profilometry，F(xiàn)PP)系統(tǒng)相比，MFPP系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)需要額外的光學(xué)設(shè)計使視場縮小。通常借助體視顯微鏡或長工作距鏡頭（Long Working Distance Lens，LWD）來減小投影和成像的視場。1994年，Leonhardt等[7]借助體視顯微鏡實現(xiàn)了對微結(jié)構(gòu)物體的成像和定量分析，證明MFPP系統(tǒng)可以成像在體視顯微鏡中。2001年，Quan等[8]使用兩個長工作距離鏡頭實現(xiàn)投影儀投影視場的縮小和成像光路微結(jié)構(gòu)的放大，并且該裝置能夠自動校準誤差。前期研究工作側(cè)重于系統(tǒng)的構(gòu)建，包括元件的選取和系統(tǒng)集成等。系統(tǒng)產(chǎn)生條紋圖案所使用的元件主要有物理光柵[9]、有機發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)[10]、液晶顯示(Liquid Crystal Display, LCD)[11]、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)[9]和數(shù)字微鏡(Digitial Micromirror Devices, DMD)[12]等。但是物理光柵的制作精度要求較高，且依靠機械運動產(chǎn)生相移容易造成相移誤差，系統(tǒng)靈活性被限制；液晶材料易受溫度影響，OLED和LCD技術(shù)將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程中會導(dǎo)致測量精度的損失；DMD芯片的每個像素通過機械地改變反射鏡的角度來打開或關(guān)閉，需要精密的光路設(shè)計。對于早期的MFPP系統(tǒng)，其光學(xué)結(jié)構(gòu)需要加入額外的透鏡構(gòu)建投影縮小光路，因此結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，測量靈活性被限制，相應(yīng)的系統(tǒng)配置和相關(guān)的測量理論需要不斷改進。

近年來，隨著數(shù)字光處理(Digital Light Processing, DLP)技術(shù)的發(fā)展，投影設(shè)備更加智能化、小型化，MFPP技術(shù)又得到了新的發(fā)展。本文分析和綜述了基于結(jié)構(gòu)光的MFPP三維測量方法的結(jié)構(gòu)原理及標定技術(shù)，詳細介紹了兩類MFPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對于測量過程中由于小視場結(jié)構(gòu)及被測器件特性導(dǎo)致的反光問題做了詳細論述，并對MFPP系統(tǒng)在微結(jié)構(gòu)測量領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢做出展望。

2 條紋投影測量關(guān)鍵技術(shù)

2.1 顯微條紋投影測量系統(tǒng)

MFPP測量光路采用光學(xué)三角法模型，由相機光心、投影儀光心、物體表面待測點構(gòu)成交叉光軸式結(jié)構(gòu)，通過此結(jié)構(gòu)獲取物體的三維信息。投影儀將具有不同頻率和相位值的正弦條紋按順序投影，相機記錄被物體表面扭曲的條紋，計算機通過對圖像分析得到調(diào)制相位。

圖1為光學(xué)三角法測量原理圖，圖中被測物置于XOY的參考平面上，Z方向代表物體的高度方向。其中OC、OP分別為相機和投影儀的光心，P為物體表面任意一點，P′為點P在參考面上的投影。d為相機與投影儀光心間的幾何距離，L為投影儀光心到參考面的垂直距離。

圖1 光學(xué)三角法測量原理圖Fig. 1 Principle diagram of optical triangulation projection measuring system

假設(shè)有一光束投射到被測物表面，由于被測物的存在，在相機的圖像中，原本投影在B點的光束移動到了新的位置A點 。AB之間的距離和被測物之間的信息h相關(guān)，根據(jù)三角形相似的幾何關(guān)系，有：

其中，p是 條紋間距， φAB包含與被測表面高度相關(guān)的相位信息。

相位信息求取常用傅立葉變換輪廓術(shù)（Fourier Transform Profilometry，F(xiàn)TP）[13-14]和相移測量輪 廓 術(shù)（Phase Shifting Profilometry，PSP）[15-16]等。FTP是動態(tài)測量中常用的算法，但是在傅立葉變換過程中缺乏局部分析能力，容易造成頻譜混疊、泄漏等問題，影響測量精度，對復(fù)雜表面測量效果不理想。PSP由于其具有像素獨立的運算性質(zhì)，更適合于高精度的測量。使用PSP算法，假設(shè)Ik(x,y)是 相機采集的第k幅相移圖的光強，A(x,y)為 圖像背景光強度，B(x,y)為 調(diào)制度，φ(x,y)為待求相位函數(shù)，用N步移相算法的投影強度可以表示為：

其中，δN=(k·2π)/N，N=3,4,5,···，k=0,1,···,N?1，式中有3個未知數(shù)，因此至少需要3個等式才能求解得出Ik(x,y)。常用的相移法有三步、四步和五步相移法，其中，四步相移法應(yīng)用較為廣泛，與三步相移法相比，其能消除高次諧波，與五步及以上相移法相比，其數(shù)據(jù)采集時間短。使用四步相移法，對于投影出的4幅圖形，根據(jù)正弦光柵求解出的相位公式如下：

公式（4）獲得的是相位分布在( ?π,π]之間的截斷相位，通過解包裹算法進行相位展開，由此獲得被測物體的相位信息。公式（5）中， ?(x,y)為展開后的連續(xù)相位，n(x,y)為某一點的條紋級次。

2.2 顯微條紋投影測量標定技術(shù)

三維成像技術(shù)的一個重要部分是對系統(tǒng)進行標定，這對建立三維成像系統(tǒng)的測量精度起著至關(guān)重要的作用。與宏觀上的FPP相比，MFPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，由于光學(xué)放大率較大，MFPP裝置的視場要小得多，自由度更短，因此其測量范圍較小，這對系統(tǒng)的建模和標定校準提出了更高的要求。傳統(tǒng)的透鏡模型標定技術(shù)分為兩種：基于立體視覺的標定技術(shù)和相位高度轉(zhuǎn)換的標定技術(shù)[17]。

立體視覺標定技術(shù)基于雙目視覺理論，適用于如圖2(a)所示的經(jīng)典透視投影成像模型。該方法將投影儀看作一個偽相機，使用相同的數(shù)學(xué)模型得到投影儀和相機的內(nèi)部參數(shù)以及兩者之間的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移向量等。較為常用的是張正友的相機標定法[18]以及張松的投影儀標定法[19]，其標定流程如圖3所示。由于此類方法準確性較高，對面外和面內(nèi)均進行了標定，因此得到廣泛應(yīng)用。對于基于體視顯微鏡和使用非遠心長距離鏡頭的小視場系統(tǒng)，該方法依然適用，但是需要高精度的小型靶標。若使用一般尺寸的靶標，忽略景深的影響，使用離焦模糊的圖像獲取特征點的精確位置，能夠提升標定的靈活性和適用性，但是對于處理算法的要求較高。

對于使用遠心鏡頭的MFPP系統(tǒng)，由于遠心鏡頭屬于仿射投影，其成像模型不再符合經(jīng)典的透視投影成像模型。如圖2(b)所示，將孔徑光闌放置于光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上，將沿光軸方向的物方光線匯聚在無限遠處，因此遠心鏡頭對于沿光軸的深度變化不敏感。因此，基于立體視覺的系統(tǒng)校準方法不能直接應(yīng)用于基于遠心鏡頭的MFPP系統(tǒng)。近年來，對于使用遠心鏡頭的MFPP系統(tǒng)的標定大多采用相位高度轉(zhuǎn)換技術(shù)[20-21]，結(jié)合參考平面對相位—高度映射關(guān)系進行一體化標定。由于該類方法相對簡單，不需要考慮系統(tǒng)的成像模型，傳統(tǒng)FPP系統(tǒng)也適用于該方法[22-23]。但是高精度的位移臺或量規(guī)塊不可避免[24-25]，因此，該方法會受到測量系統(tǒng)體積的限制，且該方法一般只是完成了面外標定，并不能實現(xiàn)面內(nèi)標定。為了解決該問題，基于正射投影模型結(jié)合鏡頭畸變模型的標定方法相繼提出[20,21,25]。Hu等[26]結(jié)合了兩類方法的優(yōu)點，使用相位高度轉(zhuǎn)換技術(shù)對系統(tǒng)進行面外標定，依據(jù)立體視覺的系統(tǒng)校準方法進行面內(nèi)標定。目前，針對于MFPP系統(tǒng)的標定和校準仍是研究熱點。

圖2 （a）針孔成像模型及（b）雙遠心成像模型Fig. 2 (a) Pinhole imaging model and (b) dual-telecentric imaging model

圖3 相機與投影儀標定流程Fig. 3 Flow chart of calibration of the camera and projector

3 顯微條紋投影技術(shù)的最新進展

宏觀的FPP系統(tǒng)常采用更穩(wěn)定和準確的偽雙目立體視覺結(jié)構(gòu)，在一些大尺寸測量物體以及復(fù)雜表面測量時也會采用多相機多投影的測量系統(tǒng)。但是MFPP系統(tǒng)的搭建受到小視場下成像系統(tǒng)有限空間和有限景深的影響，因此對于其模型結(jié)構(gòu)的探索仍是該方向的主要研究內(nèi)容。

3.1 基于體式顯微鏡的MFPP系統(tǒng)

近年來，數(shù)字光處理DLP投影技術(shù)發(fā)展迅速，TI公司基于其開發(fā)的DMD技術(shù)，推出了一系列適用于實驗的投影設(shè)備，稱為DLP LightCrafter[27]。因此，微型投影技術(shù)得到快速發(fā)展，使得系統(tǒng)的集成更加簡單。如圖4所示，每個像素的灰度值取決于時間（1）與非時間（0）的比率。與傳統(tǒng)的商用投影儀相比，它具有體積小、可編程性強、易于控制等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高速結(jié)構(gòu)光投影。

圖4 (a)一種常用的小型化和通用的DLP LightCrafter[18]和(b)其二元投影機制Fig. 4 (a) A commonly used miniaturized and versatile DLP LightCrafter [18] and (b) its binary projection mechanism

肖萍萍[28]搭建了一個MFPP系統(tǒng)，使用DLP LightCrafter直接將圖案投射到體視顯微鏡的一個目鏡中以減小投影放大倍數(shù)，類似的結(jié)構(gòu)如圖5所示。但是該系統(tǒng)將LightCrafter放置在安裝架上，對于不同高度測量樣品，投影儀位置需要重新調(diào)節(jié)，降低了系統(tǒng)測量的靈活度。之后，有學(xué)者通過增加中間連接部件，使投影儀和相機固定在顯微鏡[26,29]上，可以實現(xiàn)整體高度的調(diào)節(jié)，在測量不同的物體時，不再需要重新校準系統(tǒng)，提高了測量系統(tǒng)的靈活性。Jeught等[29]提出了一種基于數(shù)字條紋投影和并行編程的實時顯微輪廓測量系統(tǒng)，將LightCrafter和相機固定在顯微鏡上。Hu等[26]還提出了一種光學(xué)結(jié)構(gòu)，將Greenough型立體顯微鏡應(yīng)用于MFPP中。由于此類型的顯微鏡鏡頭結(jié)構(gòu)為軸對稱式，入射光線基本在物鏡傍軸附近，因此更容易進行標定，甚至不用考慮畸變。

圖5 基于立體顯微鏡的MFPP系統(tǒng)。 (a)系統(tǒng)測量方案原理圖； (b)測量系統(tǒng)實物圖Fig. 5 Real-time MFPP system using stereoscopic microscope. (a) Schematic diagram of the system measurement and (b) physical diagram of the measurement system

表1中總結(jié)了文中使用體視顯微鏡系統(tǒng)的特征信息，包含投影技術(shù)、系統(tǒng)復(fù)雜度、測量視場等。由表1的系統(tǒng)復(fù)雜度分析得知，使用單個有源光學(xué)組件進行結(jié)構(gòu)光投影，需要額外的精密光源設(shè)計光路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。如果使用如數(shù)字投影儀等完整緊湊的投影單元，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。通過設(shè)計特殊的連接器將投影儀和相機固定在顯微鏡上，可以提高系統(tǒng)對不同場景的適應(yīng)性且減少標定次數(shù)。

表1 基于體視顯微鏡的MFPP系統(tǒng)的比較Tab. 1 Comparison of MFPP systems based on off-theshelf microscopes

3.2 基于LWD鏡頭的MFPP系統(tǒng)

根據(jù)不同的成像模型，LWD透鏡可分為基于透視成像模型的非遠心透鏡[18]和基于仿射成像模型的遠心透鏡[20]，兩者均能達到毫米級的測量視場。由于相機與圖像在同一側(cè)，所以目前MFPP系統(tǒng)使用的遠心透鏡大多是物方遠心透鏡或雙遠心透鏡，這兩種遠心透鏡能在物方一定深度上獲得恒定放大率的圖像。

基于LWD鏡頭的相機—投影儀系統(tǒng)與傳統(tǒng)的MFPP系統(tǒng)大致相同。Quan等[8]將LWD鏡頭與LCD投影儀相結(jié)合，實現(xiàn)了顯微表面輪廓測量。Li等[20]使用雙遠心鏡頭的相機和針孔鏡頭的投影儀，通過分別校準相機和投影儀，建立空間中的三維坐標系。Li等[32]建立了一個系統(tǒng)，其中相機和投影儀都配備了遠心透鏡。Peng等[33]建立了一個由兩個遠心透鏡組成的系統(tǒng)，并提出了一種畸變校正方法來校正ScheimpFlug遠心透鏡引起的畸變。

為了減少被測物體導(dǎo)致的遮擋問題，可以構(gòu)建多相機系統(tǒng)，每個相機局部標定后完成各自世界坐標系下的測量，由于各個相機測量數(shù)據(jù)不具有統(tǒng)一性，不能對整個被測對象實現(xiàn)一致性描述，因此需要通過標定建立全局坐標系。基于Yin的標定方法[34]，Wang等[35]使用DMD芯片和4個帶有LWD鏡頭的相機構(gòu)建了一個MFPP系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多視圖多視角測量。Hu等[36-37]提出了一種新的三維測量顯微遠心立體視覺系統(tǒng)，可以避免復(fù)雜的投影儀校準程序。Zhang等[19]使用雙遠心鏡頭的正射投影模型，其低失真、寬景深和恒定放大率有助于系統(tǒng)直接測量得到物體的尺寸，避免了透視誤差，使系統(tǒng)更加靈活，精度容易控制，成本更低。

基于LWD鏡頭的MFPP系統(tǒng)可以實現(xiàn)多相機測量，因此減小了被遮擋區(qū)域的測量難度，提高了測量效率。表2中總結(jié)了上述系統(tǒng)的投影技術(shù)、LWD鏡頭類型和測量視場方面的信息。

表2 基于LWD鏡頭的MFPP系統(tǒng)對比Tab. 2 Comparison of MFPP systems based on an LWD lens

使用體視顯微鏡作為MFPP系統(tǒng)的主體時，可以靈活調(diào)整視場，但是系統(tǒng)體積大，特別是在引入額外光學(xué)元件的情況下，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜不穩(wěn)定。體視顯微鏡結(jié)構(gòu)本身又是固定的，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的搭建靈活性不夠，比如不能搭建雙相機及多相機3D測量系統(tǒng)等。使用放大率較大的LWD鏡頭實現(xiàn)顯微投影測量，優(yōu)點在于其投影單元和成像單元相對獨立，但是需要更換不同放大倍率的LWD鏡頭來適應(yīng)投影和成像視場，選擇不同工作距離的LWD鏡頭調(diào)整系統(tǒng)工作距離，以保證系統(tǒng)測量的靈活性。為了直觀地觀察和比較兩MFPP方法的性能，表3對基于體視顯微鏡和LWD鏡頭的兩類系統(tǒng)的優(yōu)缺點及適用領(lǐng)域做出比較。

表3 兩類MFPP系統(tǒng)對比Tab. 3 Comparison of the two kinds of method for MFPP

4 MFPP在高反光物體測量中的應(yīng)用

在實際的MFPP系統(tǒng)設(shè)計中，由于正弦條紋的周期遠大于光學(xué)分辨率，且顯微投影系統(tǒng)的景深較短，當(dāng)投影光收斂到小視場時，光能會更加集中，導(dǎo)致條紋亮度超過相機動態(tài)范圍的極限。此時，黑條紋照射的發(fā)亮部分受到白條紋的影響不再能完全以黑色成像。在這種情況下，當(dāng)使用更高頻率的條紋時，更容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由于系統(tǒng)采用的是主動光照明方式，對于復(fù)雜彩色物體或拋光金屬表面、玻璃等反射率大范圍變化的物體，結(jié)構(gòu)光投影會產(chǎn)生強烈的反射，視場范圍會產(chǎn)生極其明亮的區(qū)域或亮斑，影響成像效果及后期的圖像處理效果。目前，通過噴涂顯影劑可以獲取良好的條紋圖像，但同時會降低測量效率，影響測量精度，且部分精密器件不允許對表面進行處理。

宏觀的高反射率光滑表面物體和鏡面物體可以通過條紋反射法[40-42]解決。該方法是將條紋投射到一個散射屏上，或用LCD液晶顯示屏把條紋直接顯示出來，再將條紋反射到被測物體上。相機采集由光滑表面調(diào)制的條紋信息，解算出三維輪廓形貌，王月敏等[43]對基于條紋反射法鏡面物體三維測量進行了詳細論述。但是這種方法對散射屏和被測物體參考面的幾何關(guān)系有嚴格要求，并且難以應(yīng)用到小視場的測量環(huán)境中。針對小視場中的高反光問題，目前常采用高動態(tài)范圍技術(shù)(High-Dynamic Range, HDR)[44]進行解決。由于HDR技術(shù)是通過調(diào)整相機、投影儀等硬件設(shè)備并結(jié)合相應(yīng)算法對高反光表面進行測量的，因此可以應(yīng)用到微觀測量結(jié)構(gòu)中。

對相機成像過程和光線反射模型進行分析，圖6為不同曝光時間下相機采集圖像，高曝光時間下的灰度值容易達到飽和狀態(tài)。因此可以通過使用多重曝光法調(diào)整相機曝光時間，獲取物體區(qū)域在最大非飽和強度下的圖像信息，將不同曝光時間下拍攝的圖片通過算法融合為一幅圖像。Jiang等[45]通過選擇具有最高條紋調(diào)制強度的像素，減少了環(huán)境光的影響，但是需要采集至少5倍的條紋圖像。為了提高測量速度，Rao等[46]使用條紋調(diào)制直方圖自動預(yù)測未知場景的多個最佳曝光時間，提出了一種全自動多曝光技術(shù)，通過多次曝光和掩碼圖像結(jié)合，該方法可以在最多5次曝光的情況下，完成復(fù)雜表面的三維重建。Zhang[47]提出一種快速、自動確定所需最佳曝光量的方法，其使用單次曝光捕獲的圖像來獲取全局最優(yōu)以確定曝光時間，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜場景的測量。

圖6 不同曝光時間下的條紋圖像Fig. 6 Measurement results of captured fringe images under different exposure times

對投影圖案進行強度調(diào)整也可以減小反光現(xiàn)象，根據(jù)物體表面反射率的不同來確定投影圖案的強度，結(jié)合各個坐標系之間的標定，確定每個像素的最佳投影強度。Chen等[48]根據(jù)被測表面的反射特性使用多項式擬合得出最優(yōu)的投射光強，減少了圖像采集數(shù)量，具有較高的信噪比。由于白光投影導(dǎo)致高反光現(xiàn)象比較嚴重，因此使用彩色光投影來獲得具有不同亮度的多組條紋序列[49]，并從多組條紋圖像中選擇最亮但不飽和的相應(yīng)像素，形成用于3D重建的條紋圖像。使用藍、黃、青、白四色光投影，得到高質(zhì)量的三維重建圖案。Song等[50]根據(jù)被測物體的表面反射率，基于相機的強度響應(yīng)函數(shù)生成適用于局部區(qū)域的最佳光強的條紋圖案，并使用降采樣方法對相機的響應(yīng)函數(shù)進行估計，減少了相機響應(yīng)函數(shù)的獲取時間。Liu等[51]提出了一種基于自適應(yīng)投影技術(shù)的小視場測量系統(tǒng)高動態(tài)范圍三維測量方法，使用一組正交條紋圖案和兩個均勻灰度圖案，得到自適應(yīng)條紋圖案，實現(xiàn)了小視場物體的測量。Zhang等[44]利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來消除HDR引起的相位誤差，減少了投影條紋圖案的數(shù)量，提高了測量精度和效率。

根據(jù)光與物質(zhì)的相互作用機理使用偏振濾光片法[52]，將鏡面反射分量與總輻射量分開。Riviere[53]在鏡頭前加3個不同方向的線性偏振濾波器，實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境下的高反光表面檢測，但這樣降低了投影儀的輸出光強度和相機的入射光強。Feng等[54]將多重曝光法和偏振濾光片法相結(jié)合，通過將兩個正交偏振濾光片分別放置在相機和投影儀的前面來測量反射率低的表面。由于金屬物體表面反射模型中，p分量始終存在，所以僅使用偏振技術(shù)無法完全消除金屬表面的反光現(xiàn)象，還需要結(jié)合其他技術(shù)來進行輔助測量。

除此之外，利用顏色不變量法可以實現(xiàn)對鏡面反射分量的分離。Benvenist等[55-57]基于顏色不變性設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于數(shù)字信號處理評估模塊的新型結(jié)構(gòu)光掃描儀系統(tǒng)，并消除了測量過程中高光和環(huán)境光的影響。光度立體技術(shù)可以在不同方向的照明下，通過照明方向和圖像明暗之間的關(guān)系，在固定視點下獲得多個圖像重建表面的三維形貌和反射率。Meng等[58]結(jié)合此方法構(gòu)建了一個gonio-plenoptic成像系統(tǒng)，可對表面有小起伏的高反射浮雕表面進行測量。Zhang等[59]利用數(shù)字微鏡器件獲取同一個周期內(nèi)不同曝光量的條紋圖像，可以實現(xiàn)實時測量，且提高了HDR技術(shù)的動態(tài)測量范圍。Hu等[60]使用雙相機遠心測量系統(tǒng)采集圖像信息，通過多頻相移方法，由于低頻條紋圖像周期較大，可以達到不飽和狀態(tài)，使用低頻條紋中檢索的相位來填充最終的相位圖，以提高測量的完整性。該方法解決了由于密集條紋離焦和復(fù)雜表面反射特性造成的強度飽和現(xiàn)象。

為了比較各類方法的優(yōu)缺點，將常用方法根據(jù)上述分類，總結(jié)了代表性的HDR技術(shù)的優(yōu)缺點，如表4所示。

表4 HDR 技術(shù)中各類方法的優(yōu)缺點對比Tab. 4 Comparison of typical methods in HDR technology

5 總結(jié)與展望

條紋投影三維測量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，在傳統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也越來越廣泛。本文回顧了基于結(jié)構(gòu)光的MFPP三維測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、測量方法，分析了不同于傳統(tǒng)透射模型的遠心透鏡系統(tǒng)的標定問題，總結(jié)介紹了顯微條紋投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和發(fā)展歷程，對于因小視場及結(jié)構(gòu)光投影引起的反光問題進行了詳細的論述。

目前，MFPP系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域，特別是隨著當(dāng)前集成電路的發(fā)展，該技術(shù)可以快速、精確實現(xiàn)對芯片封裝三維缺陷的檢測。但是對于微結(jié)構(gòu)物體的測量還面臨著一些問題：（1）對于可以在單個視野中測量的小部件，通過縮小視場可以實現(xiàn)測量。但是對于帶微細特征的較大零件，其測量精度和速度的要求更高，僅僅通過縮小視場難以實現(xiàn)全場測量。因此需要構(gòu)建全場測量系統(tǒng)，使其既能夠?qū)崿F(xiàn)細微特征的檢測，又能實現(xiàn)全場測量，更加精準地實現(xiàn)對各類微小零件的測量。但是其重構(gòu)所需的數(shù)據(jù)量十分龐大，且目前對于快速顯微動態(tài)全場測量的研究還較少，提高圖像采集的速度和圖像處理重構(gòu)的速度是關(guān)鍵性因素。（2）傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)以及接觸式測量儀器很難測量出高深寬比的結(jié)構(gòu)，而對于MFPP系統(tǒng)，由于采用結(jié)構(gòu)光投影，也會存在光線遮擋問題。針對類似于MEMS系統(tǒng)的高深寬比結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高度、側(cè)壁角等3D輪廓特征關(guān)鍵尺寸的測量需要進一步探索研究。

從工業(yè)4.0到中國制造2025，對于智能制造技術(shù)的標準要求越來越高，被測對象的復(fù)雜程度也越來越高，對產(chǎn)品質(zhì)量的檢測在整個制造環(huán)節(jié)中十分重要。三維成像與傳感技術(shù)作為感知真實三維世界的重要信息獲取手段，為重構(gòu)物體真實幾何形貌及后續(xù)的三維建模、檢測、識別等方面提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。MFPP是一個極具發(fā)展前景的三維圖像獲取技術(shù)，將其應(yīng)用到機器視覺成像系統(tǒng)中，構(gòu)建高分辨率、小型化、低廉化、簡便化的產(chǎn)品級測量系統(tǒng)，滿足智能測量的要求。在未來，顯微條紋投影三維成像技術(shù)具有進一步探索和應(yīng)用的潛力。