より高速で正確な3D表面形状

November, 7, 2024, Washington--中国の研究者は、物体の表面の詳細な3Dマップを作成するための、より高速で正確な方法を開発したと報告されている（Optica, doi: 10.1364/OPTICA.531601)。
高いフレームレートとマイクロメートルレベルの精度を組み合わせた新しいアプローチは、工業検査、医用画像処理、マシンビジョンなどのリアルタイムスキャンアプリケーションに大きなメリットをもたらす可能性がある。

プロセスの合理化
3D表面の正確な画像は、通常、一連の正弦波光パターンをオブジェクトに投影することによって生成され、それぞれがわずかに異なる位相を持つ。表面形状は光フリンジの位相を変調し、反射光パターンの位相変化を解析することで表面の3Dマップを再構築することができる。ただし、正確な表面測定を実現するには、複数の視点からの複数の画像セットが必要であり、この手法のリアルタイム性が損なわれる。

これに対し、新しいアプローチでは、フェーズ データに含まれる他の情報を利用することで、データ処理ステップを排除する。特に、研究チームは、表面全体の深さの変動が位相勾配に直接関連しており、位相シフトしたパターンの1つのセットから表面プロファイルを再構築することを可能にする重要な基準点を提供することを示した。

フリンジ測光ステレオ
研究チームは、人間の手、布製の玩具、石膏で作られた幾何学的構造のコレクションなど、様々なオブジェクトの3D表面画像を作成することにより、フリンジフォトメトリックステレオ(FPS)と呼ばれる方法をテストした。標準的なプロジェクタとカメラのみを使用して得られた結果は、FPSが追加の処理なしで連続した表面の3D表面プロファイルを正確に回復できることを示している。孤立した物体の深さも測定できるが、この場合、物体にランダムなスペックルパターンを投影することにより、おおよその基準深度も取得する必要がある。

また、FPSのノイズ性能と従来のプロファイリング手法も比較した。標準的なセラミックプレートを測定したところ、FPSはノイズを約50%抑制できると同時に、表面プロファイルの再構築に必要なパターンの数を24パターンから8パターンに減らせることが示されている。さらに、標準球体を用いた試験では、FPSがノイズを軽減し、約50µmの一貫した深度分解能を維持できることが確認された。

残る問題の1つは、FPSが奥行きが急激に変化する複雑な3Dシーンを再構築するのに苦労する可能性があること。「われわれは、深度跳躍エリアを正確に特定し、それらに低いウェイトを割り当てることで、この問題に対処することを目指している。これは、FPSをより広範なアプリケーションに拡張するための鍵となる可能性がある」と、中国電子科学技術大学のチームリーダー、Ce Zhuは話している。