[編者按] 三維測量在裝備研制、城市數(shù)字化及古建筑保護等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。張宗華教授在河北工業(yè)大學創(chuàng)建光學智能多維感知實驗室，率領(lǐng)團隊潛心研究多年，在三維測量方面取得系列重要成果，提出了相位輔助三維形貌測量的成套技術(shù)解決方案，并取得了多項創(chuàng)新應用成果。
張宗華簡介：工學博士，河北工業(yè)大學教授，博士生導師。主要從事三維光學測量原理與技術(shù)、復雜屬性表面形貌多維信息感知、三維測量系統(tǒng)相位-深度模型、及自由表面鏡面偏折測量術(shù)等方面的研究。近年來主持和參加國家“重大科學儀器設備開發(fā)”重點專項、國家自然基金項目、部省級重點項目等10余項；作為第一完成人獲得河北省技術(shù)發(fā)明二等獎；發(fā)表論文200余篇，2篇入選“ESI高被引論文”，被引用達2700余次；在國內(nèi)外會議上作大會報告和邀請報告40余次；授權(quán)發(fā)明專利30余項；入選歐盟瑪麗?居里學者；現(xiàn)擔任Optics Express的Associate Editor、Scientific Reports的Editorial Board Member、《紅外與激光工程》編委、《計測技術(shù)》編委，中國光學工程學會理事、中國儀器儀表學會光機電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會常務理事等。
相位輔助三維形貌測量關(guān)鍵技術(shù)研究
河北工業(yè)大學光學智能多維感知實驗室以先進制造和信息社會發(fā)展過程中出現(xiàn)的代表性測量新問題、新需求為背景，結(jié)合國家重點產(chǎn)業(yè)目標和重大戰(zhàn)略需求，致力于基于條紋投影或顯示以及相位計算的三維測量新原理、新方法、新應用的研究與探索。經(jīng)多項國家級、省部級及人才類項目的資助，形成了相位輔助三維形貌測量的成套技術(shù)解決方案，具體包括非連續(xù)鏡面和復雜漫反射表面快速三維測量、彩色場景多維感知及其測量系統(tǒng)的自動高精度三維標定等關(guān)鍵技術(shù)，具有“快”、“準”、“精”等技術(shù)優(yōu)勢。相關(guān)技術(shù)在北京、天津、深圳和江蘇的多個企業(yè)得到廣泛應用，取得了顯著的應用效果，推動了智能制造、人體三維數(shù)字化、口腔三維掃描、虛擬博物館、古文物保護、房屋租賃、家裝家居等行業(yè)的發(fā)展。
一、面向非連續(xù)鏡面三維形貌數(shù)據(jù)的直接相位測量偏折術(shù)
揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)對測量精度的影響規(guī)律，可直接從兩個顯示屏上對應的相位數(shù)據(jù)測得鏡面的深度數(shù)據(jù)，解決了非連續(xù)鏡面三維測量的難題，實現(xiàn)了空間望遠鏡等非連續(xù)鏡面及其面形的測量。在Optics Express、Optics Letters、Optics andLasers in Engineering等期刊上發(fā)表SCI論文20余篇，其中1篇入選ESI高被引論文，授權(quán)發(fā)明專利7項。學術(shù)成果應用在高端裝備中鏡面物體的檢測上，并獲得河北省技術(shù)發(fā)明二等獎1項。
圖1 空間望遠鏡上一非連續(xù)鏡面及其面形測量結(jié)果
二、面向復雜漫反射表面和場景的并行多通道條紋投影與成像方法
實現(xiàn)了從同時采集的多個條紋圖中得到高精度三維形貌和顏色紋理數(shù)據(jù)，使三維測量達到相機采集的速率，提高了測量速度?？捎糜趧討B(tài)物體表面三維形貌的測量、復雜場景三維數(shù)字化和彩色紋理數(shù)據(jù)的快速采集。在Optics Express、Optics Letters、Optics and Lasers in Engineering等期刊上發(fā)表SCI論文30余篇，其中1篇入選ESI高被引論文，授權(quán)發(fā)明專利8項。成果應用于舞臺燈光控制系統(tǒng)，相關(guān)的1項專利榮獲中國專利優(yōu)秀獎和天津市專利獎金獎，并榮獲中國光學工程學會技術(shù)發(fā)明一等獎1項。
圖2 并行多通道測量系統(tǒng)及獲取的三維形貌和彩色紋理
三、確定單節(jié)點相位圖和三維數(shù)據(jù)間精確關(guān)系的現(xiàn)場標定方法
在理論推導相位、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與空間深度之間關(guān)系的基礎上，利用表面帶有已知距離圓環(huán)標識的平板，實現(xiàn)了三維成像系統(tǒng)脫離實驗室環(huán)境在實際工作現(xiàn)場的快速簡易標定。擺脫了傳統(tǒng)標定方法對高精度水平移動臺的依賴，解決了應用場合中三維測量系統(tǒng)標定過程復雜、速度慢、準確度過度依賴輔助設備的問題，進而實現(xiàn)了物體和場景三維數(shù)據(jù)的現(xiàn)場、快速、準確測量。在Optics Express、Optics Letters等期刊上發(fā)表論文20余篇，授權(quán)發(fā)明專利8項。成果應用于室內(nèi)場景彩色三維成像系統(tǒng)，并獲得中國儀器儀表學會技術(shù)發(fā)明二等獎1項。
圖3 條紋投影三維測量系統(tǒng)原理、標定和驗證
河北工業(yè)大學光學智能多維感知實驗室合影
