[論文レビュー] One shot profilometry using iterative two-step temporal phase-unwrapping

Guangliang Du, Minmin Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Optical measurement and interference techniques被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、複合縞模様投影と反復的2段階時系列位相アンラップアルゴリズムを組み合わせたワンショット3次元プロファイル計測法を提案する。この手法により、1回の撮影で高速かつ高精度な形状計測が可能となる。4つの周波数成分を含む1つの複合縞模様を用い、反復的に位相アンラップを精緻化することで、従来のワンショット手法に比べて精度が向上し、速度を維持することができる。

ABSTRACT

This paper reviews two techniques that have been recently published for 3D profilometry and proposes one shot profilometry using iterative two-step temporal phase-unwrapping by combining the composite fringe projection and the iterative two-step temporal phase unwrapping algorithm. In temporal phase unwrapping, many images with different frequency fringe pattern are needed to project which would take much time. In order to solve this problem, Ochoa proposed a phase unwrapping algorithm based on phase partitions using a composite fringe, which only needs projecting one composite fringe pattern with four kinds of frequency information to complete the process of 3D profilometry. However, we found that the fringe order determined through the construction of phase partitions tended to be imprecise. Recently, we proposed an iterative two-step temporal phase unwrapping algorithm, which can achieve high sensitivity and high precision shape measurement. But it needs multiple frames of fringe images which would take much time. In order to take into account both the speed and accuracy of 3D shape measurement, we get a new, and more accurate unwrapping method based on composite fringe pattern by combining these two techniques. This method not only retains the speed advantage of Ochoa's algorithm, but also greatly improves its measurement accuracy. Finally, the experimental evaluation is conducted to prove the validity of the proposed method, and the experimental results show that this method is feasible.

研究の動機と目的

• 3次元プロファイル計測における測定速度と精度のトレードオフを解消すること。
• Ochoaの位相分割ベースワンショット法における不正確な縞の位相順序決定を克服すること。
• 高精度な反復的2段階時系列アンラップアルゴリズムを複合縞模様投影と統合し、ワンショット動作を実現すること。
• 複数の位相シフトフレームを必要とせずに、高速かつ高精度な3次元形状再構成を達成すること。

提案手法

• 4つの異なる周波数成分を含む1つの複合縞模様を物体表面に投影する。
• 時系列位相アンラップ技術を用いて、複合パターンからの位相情報を抽出する。
• 位相の曖昧さを高精度に解消するために、反復的2段階時系列位相アンラップアルゴリズムを適用する。
• 位相不連続性を最小化し、精度を向上させるために、反復的にアンラップされた位相マップを精緻化する。
• 1つのパターン内で周波数 multiplexing を用いることで、ワンショット撮影の高速性と、複数フレームアンラップの精度を統合する。
• 複合縞模様に対して、パーティションベースのアプローチを用いた位相アンラップを実施し、反復的精緻化によって誤差を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワンショット3次元プロファイル計測システムは、複数フレーム時系列位相アンラップ法と同等の高精度な測定を達成できるか？
• RQ2 撮影時間を増加させることなく、Ochoaの複合縞模様法における位相アンラップ精度をどのように向上できるか？
• RQ3 反復的精緻化は、1つの複合縞模様パターンにおける位相アンラップ精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 複合縞模様投影と反復的2段階アンラップの組み合わせにより、リアルタイムかつ高精度な3次元形状計測が可能になるか？
• RQ5 周波数 multiplexing は、ワンショットプロファイル計測における位相曖昧さの解消にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案手法は、1つの縞模様投影のみで高精度な3次元形状計測を実現した。
• 反復的2段階アンラップアルゴリズムは、従来のワンショット手法に比べて顕著に位相アンラップ精度を向上させた。
• 本手法は、ワンショット撮影の速度的利点を維持しながら、従来の複合縞模様技術における不正確な縞の位相順序推定問題を克服した。
• 実験結果により、本手法の実用的3次元プロファイル計測応用への実現可能性と有効性が検証された。
• 複合縞模様投影と反復的アンラップの統合により、複雑な表面計測においても誤差が低減された堅牢な位相再構成が可能になった。