CN101441066B - 彩色条纹编码的相位去包裹方法 - Google Patents

Abstract

彩色条纹编码的相位去包裹方法，在获得相移测量的原理相位的基础上，用彩色条纹编码条纹图求解

Description

彩色条纹编码的相位去包裹方法

技术领域

本发明属于三维传感和测量领域，可广泛应用于三维物体形貌的静态、动态及在线检测，实现光学相移法检测三维物体轮廓的相位解调的级次判定的彩色条纹编码的相位去包裹方法。

背景技术

在现代产品快速开发及制造领域，物体的三维形貌测量已得到广泛应用。光学相移法与其它结构光测量方法相比，因其可进行全场测量，具有测量速度快、精度高、可实现仪器的便携式检测等特点，被广泛应用于航空航天、机械制造、医疗诊断、计算机辅助设计/制造、机器人视觉系统以及在线检测与质量控制等领域。

相位测量原理

相移技术在光学相干测量中有着重要的地位，它广泛地应用于全息照相、数字散斑及光栅投影式三维轮廓测量中。其基本思想是：通过引入已知的相移量，人为地改变条纹的相位，比较物体上同一点在不同相移量下光强的变化来求解该处的相位。当一个正弦光栅投射到物体上时，受物体高度的调制，变形光栅条纹的光强表示为：

其中，a(x，y)为背景光强，b(x，y)/a(x，y)为对比度，

为包含物体高度信息的相位因子。控制光栅沿与栅线垂直的方向以2π/N为步距作N步相移，可获取N帧相移条纹图形，记为I_k，其中k＝0，1，...，N-1(N≥3)。则相位为

当k＝4时，有

即所谓的4步相移法，而当k＝3时，为3步相移法等。

由式(3)可以看出，

值被限定在反正切函数的主值范围内，即-π～+π。因此相移法轮廓测量技术中，为了从相位值求得被测物体的高度分布，必须将由于反三角运算引起的截断(或称为包裹)相位恢复成原来的相位分布，把这一过程称为相位展开，或相位去包裹。设

为原理相位，Φ(x，y)为真实相位(或称绝对相位)，则有

去包裹的过程实际上就是求解式(4)中的整数n的过程。

可见在光学相移法三维形貌测量中，需要通过反正切函数计算包含物体三维高度信息的相位值，而反正切函数的值不是一一对应的，为了得到准确的相位值，需要确定反正切函数的n值，这一步骤被称作相位去包裹。

相位去包裹方法

传统的相位去包裹算法大体上分为两大类：空域相位展开和时域相位展开。第一大类包括：行列逐点算法、分割线算、区域分割算法等等，这些方法或多或少都存在相位误差的面内累积传播，且要求被测表面是连续和缓变的，这类方法的适用范围大大受到限制。第二大类包括：双频光栅法、非线性小数重合法、绝对莫尔法、交叉光栅法等等，这些方法不存在面内累积误差，可用于不连续及陡峭被测表面，相对于第一类方法，在精度和适应性上有相当大的提高。然而这些方法在时间轴上，需要采集多幅图像，才能求解相位，只适应于对测量时间没有特殊要求的静态测量，动态测量时的效果并不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种使光学相移法不仅能实现三维物体形貌静态测量，而且实现了动态及在线测量，只需一幅图像，应用极其简单的算法，快速得到相位去包裹结果，进一步提高了光学相移法的适应范围，解决了工程实际当中的难题，缩短新产品开发的周期，有效地控制产品质量的彩色条纹编码的相位去包裹方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：在获得相移测量的原理相位的基础上，用彩色条纹编码条纹图求解

中的“n(x，y)”，沿着条纹排列的垂直方向进行解相，其具体步骤为：

1)首先，设置N个彩色编码条纹颜色为一个条纹图的周期即组，将这些条纹用两位数字“i j”进行编码，“i”表示条纹图的周期即“组”，“j”表示条纹的颜色代码，j＝0，1，…，N-1，N是条纹的颜色数；

2)然后将彩色编码条纹投射至被测三维物体表面，彩色条纹宽度与相移测量条纹宽度相同；

3)其次，使用彩色CCD摄像机采集变形的彩色编码图，并通过彩色数字图像卡将图像数据输送至计算机；

4)采取对每种颜色的条纹个数分别计数的方法，选出数目最大的值，以确定图形中条纹的周期数，假设M是其中最多的条纹数，对应于“k”颜色，则条纹的周期数为M，以颜色“k”作为两个周期条纹的分界线，即以“k”值作为每个周期的开始条纹，两个“k”之间的区域为同一周期，每个周期依次定义为i＝0，1，…，M-1；

5)根据对彩色条纹进行编码的两位数字编码和颜色条纹计数，得到正弦条纹级次的表达式

n(x，y)＝Ni(x，y)+[j(x，y)-k]_comp

n(x，y)表示正弦条纹的级次，N表示颜色数，i(x，y)表示条纹图的周期数，j(x，y)表示条纹的颜色代码，k表示分割周期，即两个周期条纹的分界线；

其中[f(x，y)]_comp表示以N为模的取补操作，即：

${\left[f(x,y)\right]}_{\mathrm{comp}}=\left\{\begin{array}{cc}f(x,y)& f(x,y)\&GreaterEqual;0\\ N+f(x,y)& f(x,y)<0\end{array}\right.$

[f(x，y)]_comp表示以N为模的取补操作，f(x，y)表示一个函数，这里f(x，y)＝j(x，y)-k，N表示颜色数，至此，已确定了

中的n(x，y)，再结合事先对测量系统的标定，即可将相位值转化为三维高度信息。

本发明适用于不连续表面以及动态三维形貌测量，将若干组按一定颜色顺序排列的，条纹宽度与相移测量条纹宽度相同的，不同颜色的彩色光栅投射到被测物体上，此时条纹发生变形。采集这一变形图像，通过本发明的算法，判断出某点所在周期和颜色，即可计算出n值，至此便唯一确定了某测量点的相位值。

附图说明

图1是本发明彩色空间光发生器所产生的彩色条纹编码图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1，彩色条纹的排列顺序设定为：每一组条纹以红色条纹起始，绿色居中，以蓝色条纹结束。把这些条纹用两位数字“i j”进行编码，“i”表示条纹图的周期即“组”。“j”表示条纹的颜色代码，即0代表红色，1代表绿色，2代表蓝色。如图1中的“12”表示彩色条纹图中第2个周期的蓝色条纹。

在获得相移测量的原理相位的基础上，用彩色条纹编码条纹图求解中的“n(x，y)”，沿着条纹排列的垂直方向进行解相。具体步骤为：

1)投射如图1所示的彩色编码条纹至被测三维物体表面，彩色条纹宽度与相移测量条纹宽度相同；

2)使用彩色CCD摄像机采集变形的彩色编码图，并通过彩色数字图像卡将图像数据输送至计算机；

3)设置N个彩色编码条纹颜色，依次分别定义为j＝0，1，…，N-1，N是条纹的颜色数，本例给出的N＝3；

4)采取对每种颜色的条纹个数分别计数的方法，选出数目最大的值，以确定图形中条纹的周期数。假设M是其中最多的条纹数，对应于“k”颜色，则条纹的周期数为M，以颜色“k”作为两个周期条纹的分界线，即以“k”值作为每个周期的开始条纹，两个“k”之间的区域为同一周期。每个周期依次定义为i＝0，1，…，M-1。

根据对彩色条纹进行编码的两位数字编码和4)中所提出的颜色条纹计数方法结合得到正弦条纹级次的表达式

n(x，y)＝Ni(x，y)+[j(x，y)-k]_comp  (n(x，y)表示正弦条纹的级次，N表示颜色数，i(x，y)表示条纹图的周期数，j(x，y)表示条纹的颜色代码，k表示分割周期，即两个周期条纹的分界线)

其中[f(x，y)]_comp表示以N为模的取补操作，即：

${\left[f(x,y)\right]}_{\mathrm{comp}}=\left\{\begin{array}{cc}f(x,y)& f(x,y)\&GreaterEqual;0\\ N+f(x,y)& f(x,y)<0\end{array}\right.$ ([f(x，y)]_comp表示以N为模的取补操作，f(x，y)表示一个函数，这里f(x，y)＝j(x，y)-k，N表示颜色数)至此，已确定了

中的n(x，y)，再结合事先对测量系统的标定，即可将相位值转化为三维高度信息。该方法大幅度地提高了相位去包裹的效率，并适用于表面不连续及动态的三维形貌测量。

本发明与传统的相位去包裹方法相比，具有以下特点：1、采用与测量过程相似的步骤及简便的图像处理算法，使操作简化并大大提高了数据处理效率，缩短了数据处理时间；2、相位去包裹中采用了彩色编码技术，减少了环境干扰光源的影响，提高了图像处理的抗干扰能力；3、由于彩色编码条纹宽度可任意调节，适宜测量相对投影光轴倾角大的以及表面不连续的物体；4、如果测量采用彩色莫尔条纹的相移测量法，那么相位去包裹过程与测量过程的硬件构成完全相同，仅仅是投射的结构光形式不同以及图像处理方法不同，不增加任何硬件费用；5、彩色莫尔条纹相移测量法与彩色编码相位去包裹方法相结合，不仅能测量静态三维物体形貌，而且能测量动态三维物体形貌。

Claims (1)

1.彩色条纹编码的相位去包裹方法，其特征在于：在获得相移测量的原理相位的基础上，用彩色条纹编码条纹图求解中的“n(x，y)”，沿着条纹排列的垂直方向进行解相，其具体步骤为：

1)首先，设置N个彩色编码条纹颜色为一个条纹图的周期即组，将这些条纹用两位数字“i j”进行编码，“i”表示条纹图的周期即“组”，“j”表示条纹的颜色代码，j＝0，1，…，N-1，N是条纹的颜色数；

2)然后将彩色编码条纹投射至被测三维物体表面，彩色条纹宽度与相移测量条纹宽度相同；

3)其次，使用彩色CCD摄像机采集变形的彩色编码图，并通过彩色数字图像卡将图像数据输送至计算机；

4)采取对每种颜色的条纹个数分别计数的方法，选出数目最大的值，以确定图形中条纹的周期数，假设M是其中最多的条纹数，对应于“k”颜色，则条纹的周期数为M，以颜色“k”作为两个周期条纹的分界线，即以“k”值作为每个周期的开始条纹，两个“k”之间的区域为同一周期，每个周期依次定义为i＝0，1，…，M-1；

5)根据对彩色条纹进行编码的两位数字编码和颜色条纹计数，得到正弦条纹级次的表达式

n(x，y)＝Ni(x，y)+[j(x，y)-k]_comp

n(x，y)表示正弦条纹的级次，N表示颜色数，i(x，y)表示条纹图的周期数，j(x，y)表示条纹的颜色代码，k表示分割周期，即两个周期条纹的分界线；

其中[f(x，y)]_comp表示以N为模的取补操作，即：

${\left[f(x,y)\right]}_{\mathrm{comp}}=\left\{\begin{array}{cc}f(x,y)& f(x,y)\&GreaterEqual;0\\ N+f(x,y)& f(x,y)<0\end{array}\right.$

[f(x，y)]_comp表示以N为模的取补操作，f(x，y)表示一个函数，这里f(x，y)＝j(x，y)-k，N表示颜色数，至此，已确定了

中的n(x，y)，再结合事先对测量系统的标定，即可将相位值转化为三维高度信息。