[編者按] 三維測(cè)量在裝備研制、城市數(shù)字化及古建筑保護(hù)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(xué)創(chuàng)建光學(xué)智能多維感知實(shí)驗(yàn)室，率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)潛心研究多年，在三維測(cè)量方面取得系列重要成果，提出了相位輔助三維形貌測(cè)量的成套技術(shù)解決方案，并取得了多項(xiàng)創(chuàng)新應(yīng)用成果。

張宗華簡(jiǎn)介：工學(xué)博士，河北工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。主要從事三維光學(xué)測(cè)量原理與技術(shù)、復(fù)雜屬性表面形貌多維信息感知、三維測(cè)量系統(tǒng)相位-深度模型、及自由表面鏡面偏折測(cè)量術(shù)等方面的研究。近年來(lái)主持和參加國(guó)家“重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然基金項(xiàng)目、部省級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目等10余項(xiàng)；作為第一完成人獲得河北省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)；發(fā)表論文200余篇，2篇入選“ESI高被引論文”，被引用達(dá)2700余次；在國(guó)內(nèi)外會(huì)議上作大會(huì)報(bào)告和邀請(qǐng)報(bào)告40余次；授權(quán)發(fā)明專利30余項(xiàng)；入選歐盟瑪麗?居里學(xué)者；現(xiàn)擔(dān)任Optics Express的Associate Editor、Scientific Reports的Editorial Board Member、《紅外與激光工程》編委、《計(jì)測(cè)技術(shù)》編委，中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)理事、中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)光機(jī)電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會(huì)常務(wù)理事等。

相位輔助三維形貌測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

河北工業(yè)大學(xué)光學(xué)智能多維感知實(shí)驗(yàn)室以先進(jìn)制造和信息社會(huì)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的代表性測(cè)量新問(wèn)題、新需求為背景，結(jié)合國(guó)家重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)目標(biāo)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(jì)算的三維測(cè)量新原理、新方法、新應(yīng)用的研究與探索。經(jīng)多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)及人才類項(xiàng)目的資助，形成了相位輔助三維形貌測(cè)量的成套技術(shù)解決方案，具體包括非連續(xù)鏡面和復(fù)雜漫反射表面快速三維測(cè)量、彩色場(chǎng)景多維感知及其測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)高精度三維標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)，具有“快”、“準(zhǔn)”、“精”等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相關(guān)技術(shù)在北京、天津、深圳和江蘇的多個(gè)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著的應(yīng)用效果，推動(dòng)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(hù)、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(cè)量偏折術(shù)

揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響規(guī)律，可直接從兩個(gè)顯示屏上對(duì)應(yīng)的相位數(shù)據(jù)測(cè)得鏡面的深度數(shù)據(jù)，解決了非連續(xù)鏡面三維測(cè)量的難題，實(shí)現(xiàn)了空間望遠(yuǎn)鏡等非連續(xù)鏡面及其面形的測(cè)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(xiàng)。學(xué)術(shù)成果應(yīng)用在高端裝備中鏡面物體的檢測(cè)上，并獲得河北省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

圖1 空間望遠(yuǎn)鏡上一非連續(xù)鏡面及其面形測(cè)量結(jié)果

二、面向復(fù)雜漫反射表面和場(chǎng)景的并行多通道條紋投影與成像方法

實(shí)現(xiàn)了從同時(shí)采集的多個(gè)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(cè)量達(dá)到相機(jī)采集的速率，提高了測(cè)量速度?？捎糜趧?dòng)態(tài)物體表面三維形貌的測(cè)量、復(fù)雜場(chǎng)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(xiàng)。成果應(yīng)用于舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)，相關(guān)的1項(xiàng)專利榮獲中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)和天津市專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)，并榮獲中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

圖2 并行多通道測(cè)量系統(tǒng)及獲取的三維形貌和彩色紋理

三、確定單節(jié)點(diǎn)相位圖和三維數(shù)據(jù)間精確關(guān)系的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法

在理論推導(dǎo)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(chǔ)上，利用表面帶有已知距離圓環(huán)標(biāo)識(shí)的平板，實(shí)現(xiàn)了三維成像系統(tǒng)脫離實(shí)驗(yàn)室環(huán)境在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)的快速簡(jiǎn)易標(biāo)定。擺脫了傳統(tǒng)標(biāo)定方法對(duì)高精度水平移動(dòng)臺(tái)的依賴，解決了應(yīng)用場(chǎng)合中三維測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程復(fù)雜、速度慢、準(zhǔn)確度過(guò)度依賴輔助設(shè)備的問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了物體和場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)、快速、準(zhǔn)確測(cè)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(xiàng)。成果應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)景彩色三維成像系統(tǒng)，并獲得中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。