[论文解读] Frequency-based image analysis of random patterns: an alternative way to classical stereocorrelation

Jérôme Molimard, G. Boyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2013

Optical measurement and interference techniques参考文献 19被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于频率的图像分析方法，结合相位分析与时间相位步进技术，从随机图案中测量二维面内位移和三维形状，实现亚像素分辨率（1/100像素），且无需假设镜头模型。该方法结合光栅投影与针孔相机和投影仪模型下的面内位移分析，在皮肤和皮革上验证了其高计量精度。

ABSTRACT

The paper presents an alternative way to classical stereocorrelation. First, 2D image processing of random patterns is described. Sub-pixel displacements are determined using phase analysis. Then distortion evaluation is presented. The distortion is identified without any assumption on the lens model because of the use of a grid technique approach. Last, shape measurement and shape variation is caught by fringe projection. Analysis is based on two pin-hole assumptions for the video-projector and the camera. Then, fringe projection is coupled to in-plane displacement to give rise to 3D measurement set-up. Metrological characterization shows a resolution comparable to classical (stereo) correlation technique (1/100th pixel). Spatial resolution seems to be an advantage of the method, because of the use of temporal phase stepping (shape measurement, 1 pixel) and windowed Fourier transform (in plane displacements measurement, 9 pixels). Two examples are given. First one is the study of skin properties; second one is a study on leather fabric. In both cases, results are convincing, and have been exploited to give mechanical interpretation.

研究动机与目标

• 开发一种替代经典立体相关技术的方法，用于从随机图案中测量面内位移和3D形状。
• 通过网格技术评估畸变，消除对镜头模型假设的依赖。
• 利用时间相位步进与加窗傅里叶变换实现高分辨率3D测量。
• 通过精确的位移与形状重建，实现对材料行为的机械解释。
• 在生物材料与工业材料（如皮肤和皮革）上验证该方法。

提出的方法

• 利用相位分析确定二维随机图案图像中的亚像素位移。
• 应用网格技术在不假设特定镜头模型的前提下识别畸变。
• 将光栅投影与面内位移测量相结合，实现3D形状重建。
• 该方法假设投影仪与成像系统均采用针孔相机模型。
• 采用时间相位步进技术实现1像素分辨率的形状测量。
• 在面内位移分析中应用加窗傅里叶变换，实现9像素的空间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于频率的图像分析是否能在无需镜头模型假设的前提下，实现与经典立体相关技术相当的分辨率？
• RQ2 利用随机图案与相位分析，3D形状与面内位移的测量精度如何？
• RQ3 该方法在复杂样品中对材料行为的机械解释能力有多强？
• RQ4 所提出方法在面内位移与3D形状测量中的空间分辨率是多少？
• RQ5 该方法能否有效应用于皮肤和皮革等实际材料？

主要发现

• 该方法实现了1/100像素的计量分辨率，与经典立体相关技术相当。
• 通过应用加窗傅里叶变换，面内位移测量的空间分辨率提升至9像素。
• 通过时间相位步进技术，成功实现了1像素分辨率的3D形状测量。
• 采用基于网格的方法，在无需预先假设镜头模型的前提下，成功识别了畸变。
• 该方法成功应用于皮肤和皮革，结果适用于机械解释。
• 结果表明，基于频率的分析可作为经典立体相关技术的稳健替代方案。