[논문 리뷰] One shot profilometry using iterative two-step temporal phase-unwrapping

Guangliang Du, Minmin Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 19.

Optical measurement and interference techniques인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 복합 프리지 투사와 반복적 이단계 시간적 위상 풀이 알고리즘을 조합한 1회 촬영 3차원 프로필로미 등 방법을 제안하며, 단일 촬영으로도 빠르고 높은 정밀도의 형상 측정을 가능하게 한다. 하나의 복합 프리지 패턴에 네 가지 주파수 성분을 포함시키고 반복적으로 위상 풀이를 정밀하게 개선함으로써, 이전의 단일 촬영 방법에 비해 정밀도를 향상시키면서도 속도를 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 3차원 프로필로미에서 측정 속도와 정밀도 사이의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 오체아의 위상 분할 기반 단일 촬영 방법에서의 정확도가 떨어지는 프리지 순서 결정 문제를 극복하기 위해.
• 고정밀 반복적 이단계 시간적 위상 풀이 알고리즘을 복합 프리지 투사와 통합하여 단일 촬영 동작을 구현하기 위해.
• 다중 단계 시프트된 프레임을 요구하지 않고도 빠르고 정밀한 3차원 형상 재구성하기 위해.

제안 방법

• 네 가지 다른 주파수 성분을 포함한 단일 복합 프리지 패턴을 물체 표면에 투사한다.
• 시간적 위상 풀이 기법을 사용하여 복합 패턴에서 위상 정보를 추출한다.
• 위상 모호성을 고정밀도로 해결하기 위해 반복적 이단계 시간적 위상 풀이 알고리즘을 적용한다.
• 위상 불연속성을 최소화하고 정밀도를 향상시키기 위해 반복적으로 보완된 위상 맵을 개선한다.
• 단일 패턴 내 주파수 multiplexing를 활용하여 단일 촬영의 속도와 다중 프레임 위상 풀이의 정밀도를 통합한다.
• 복합 프리지에 대해 분할 기반 접근 방식을 사용하여 위상 풀이를 수행하고, 반복적 보완을 통해 오류를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 촬영 3차원 프로필로미 시스템이 다중 프레임 시간적 위상 풀이 방법과 비교해 높은 측정 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 촬영 시간을 늘리지 않고도 오체아의 복합 프리지 방법의 위상 풀이 정밀도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 반복적 보완이 단일 복합 프리지 패턴에서의 위상 풀이 정밀도에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 복합 프리지 투사와 반복적 이단계 위상 풀이의 조합이 실시간 고정밀 3차원 형상 측정을 가능하게 하는가?
• RQ5 주파수 multiplexing가 단일 촬영 프로필로미에서 위상 모호성 해결에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 방법은 단일 프리지 패턴 투사만으로도 고정밀 3차원 형상 측정을 달성한다.
• 반복적 이단계 위상 풀이 알고리즘이 기존의 단일 촬영 방법에 비해 위상 풀이 정밀도를 크게 향상시킨다.
• 이전의 복합 프리지 기술에서의 정확도가 떨어지는 프리지 순서 추정 문제를 해결하면서도 단일 촬영의 속도 우수성을 유지한다.
• 실험 결과는 제안된 방법의 실용적 3차원 프로필로미 응용 분야에서의 타당성과 효율성을 입증한다.
• 복합 프리지 투사와 반복적 위상 풀이의 통합은 복잡한 표면 측정에서 오류가 감소한 견고한 위상 재구성 가능성을 제공한다.