[編者按] 三維測量在裝備研制、城市數字化及古建筑保護等領域發(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、復雜屬性表面形貌多維信息感知、三維測量系統相位-深度模型、及自由表面鏡面偏折測量術等方面的研究。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；在國內外會議上作大會報告和邀請報告40余次；授權發(fā)明專利30余項；入選歐盟瑪麗?居里學者；現擔任Optics Express的Associate Editor、Scientific Reports的Editorial Board Member、《紅外與激光工程》編委、《計測技術》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與系統集成分會常務理事等。

相位輔助三維形貌測量關鍵技術研究

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)展過程中出現的代表性測量新問題、新需求為背景，結合國家重點產業(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的自動高精度三維標定等關鍵技術，具有“快”、“準”、“精”等技術優(yōu)勢。相關技術在北京、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)鏡面三維形貌數據的直接相位測量偏折術

揭示了結構參數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據測得鏡面的深度數據，解決了非連續(xù)鏡面三維測量的難題，實現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，授權發(fā)明專利7項。學術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據，使三維測量達到相機采集的速率，提高了測量速度。可用于動態(tài)物體表面三維形貌的測量、復雜場景三維數字化和彩色紋理數據的快速采集。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，授權發(fā)明專利8項。成果應用于舞臺燈光控制系統，相關的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發(fā)明一等獎1項。

圖2 并行多通道測量系統及獲取的三維形貌和彩色紋理

三、確定單節(jié)點相位圖和三維數據間精確關系的現場標定方法

在理論推導相位、系統結構參數與空間深度之間關系的基礎上，利用表面帶有已知距離圓環(huán)標識的平板，實現了三維成像系統脫離實驗室環(huán)境在實際工作現場的快速簡易標定。擺脫了傳統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，進而實現了物體和場景三維數據的現場、快速、準確測量。在Optics Express、Optics Letters等期刊上發(fā)表論文20余篇，授權發(fā)明專利8項。成果應用于室內場景彩色三維成像系統，并獲得中國儀器儀表學會技術發(fā)明二等獎1項。

圖3 條紋投影三維測量系統原理、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