基于调制引导与数字孪生驱动的高反光表面三维测量方法

张伯夏; 付帅; 高楠; 孟召宗; 张宗华

doi:10.3788/gzxb20265508.0812002

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基于调制引导与数字孪生驱动的高反光表面三维测量方法

仪器，测量，度量学 | 更新时间：2026-07-15

- 基于调制引导与数字孪生驱动的高反光表面三维测量方法
- Modulation-Guided and Digital Twin-Driven 3D Measurement Method for Highly Reflective Surfaces
- 光子学报 2026年页码：1-17
- 作者机构：
  
  河北工业大学机械工程学院，天津 300130
- 作者简介：
  
  张伯夏（1999—），男，硕士生，主要研究方向为光学三维测量。Email: 3058356577@qq.com
  张宗华（1974—），男，教授，博士，主要研究方向为光学检测、三维数字成像和造型等. Email: zhzhang@hebut.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(U2341275);河北省教育厅科学研究项目(JZX2024021)
- DOI：10.3788/gzxb20265508.0812002
  中图分类号： TH741
- CSTR：32255.14.gzxb20265508.0812002
- 收稿：2026-04-16，
  
  修回：2026-05-21，
  
  录用：2026-05-25，
- 稿件说明：
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张伯夏，付帅，高楠，等. 基于调制引导与数字孪生驱动的高反光表面三维测量方法［J］.光子学报，2026，55（8）：0812002

ZHANG Boxia， FU Shuai， GAO Nan， et al. Modulation-Guided and Digital Twin-Driven 3D Measurement Method for Highly Reflective Surfaces［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（8）：0812002
张伯夏，付帅，高楠，等. 基于调制引导与数字孪生驱动的高反光表面三维测量方法［J］.光子学报，2026，55（8）：0812002 DOI： 10.3788/gzxb20265508.0812002. CSTR： 32255.14.gzxb20265508.0812002.

ZHANG Boxia， FU Shuai， GAO Nan， et al. Modulation-Guided and Digital Twin-Driven 3D Measurement Method for Highly Reflective Surfaces［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（8）：0812002 DOI： 10.3788/gzxb20265508.0812002. CSTR： 32255.14.gzxb20265508.0812002.

摘要

针对结构光三维测量中金属表面高反射导致的条纹饱和、调制信息缺失及相位解算失真问题，提出一种基于数字孪生数据驱动的调制引导注意力网络的三维重建方法。首先，构建了面向高反光场景的数字孪生条纹投影系统，生成具有多样反射特性的高动态范围虚拟数据集，解决了真实场景下数据采集成本高、标注困难的局限性。其次，设计一种融合多尺度残差编码、全局特征感知及调制引导模块的调制引导注意力网络，将条纹梯度与调制幅值作为空间先验信息引入注意力机制，引导网络自适应地滤除高反光区域的无效干扰，并对缺失的条纹信息进行精确特征重构，从而仅利用单幅受干扰的条纹图像即可稳定预测出理想的正弦与余弦分量。实验结果表明，在198mm×152mm的有效视场下，所提方法在处理高反光表面时效果良好，虚拟测试集平均绝对误差为0.0083 mm；在实际金属台阶测量中，最大绝对误差为0.032 mm。与现有的深度学习网络相比，该方法在重建精度上具有显著优势，且在大幅提升测量效率的前提下达到了与传统多重曝光法相当的精度水平，为高反射工业零件的高速、高精度三维测量提供了有效方案。

Abstract

Objective

The objective of this study is to address the critical challenges encountered in structured light three-dimensional （3D） measurement of highly reflective metallic surfaces， specifically the issues of fringe pattern saturation， loss of modulation information， and subsequent phase unwrapping distortion. To overcome these limitations， this paper proposes a novel 3D reconstruction method based on a modulation-guided attention network driven by digital twin data. The primary goal is to achieve robust， high-precision phase recovery and 3D shape reconstruction under high dynamic range （HDR） conditions using only a single degraded fringe image per spatial frequency. This approach is designed to eliminate the heavy dependence on traditional multi-exposure acquisition techniques and complex phase-shifting sequences while strictly maintaining optimal measurement accuracy.

关键词

Keywords

references

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