CN103575237A - 一种相移编码方法 - Google Patents

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Abstract

一种相移编码方法，由相移编码方法的原理、基于相移编码方法的k(x,y)编码方法、基于相移编码方法的k(x,y)校正和周期错位校正方法三大关键技术组成。本发明的优点是：能解决随着相位编码条纹周期数增加，由于离焦导致的条纹级次k(x,y)的判别困难；能解决条纹级次k(x,y)的跳变部分出现的错误，实现条纹级次校正；能解决截断相位和条纹级次的周期错位问题。操作方便，实现复杂物体高精度的三维测量，具有很高的实用价值。

Description

一种相移编码方法
技术领域
本发明涉及一种相移编码方法，尤其涉及在相位编码方法基础上提出的一种相移编码方法。 
背景技术
条纹投影轮廓术由于非接触、全场测量、测量速度快和易于信息处理等优点，在三维测量中有重要意义。三维测量系统如图1，包括投影仪1、摄像机2、计算机3、测量支架4、参考平面5；其特征是：投影仪1和摄像机2放在测量支架4上；投影仪1、摄像机2分别用导线连接计算机3；待测物体6放在参考平面5上；计算机3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。投影仪1将带有特征信息的条纹投射到被测物体6表面，由摄像机2采集条纹信息，经过计算机3处理后提取出特征信息，并按照特定算法进行三维重建。投影仪1光轴和摄像机2光轴相交于O点。投影仪1和摄像机2为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为l 0 。被测物体6的高度计算公式（1）为： 
                       
Figure 2013105593827100002DEST_PATH_IMAGE001
                    （1）                                                                      
其中f 0为参考平面上的正弦条纹频率，
Figure 110952DEST_PATH_IMAGE002
为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。
国外提出了一种基于光学条纹图分析原理的测量技术－傅里叶变换轮廓术后，利用光学成像原理测量物体表面形貌的技术引起了各方面的重视；条纹投影轮廓术通常采用投影仪投影正弦条纹到被测物体上，但是由于存在投影仪的非线性gamma效应，对测量有很大影响，因此提出一种新的产生正弦条纹的方法：投影二进制条纹，对投影仪进行适当离焦，获得正弦条纹，由于该方法能滤除高次谐波，得到理想的正弦条纹，很好的解决了投影仪非线性gamma效应的影响。实验时，在投影仪处于同一种离焦程度下，将二进制条纹和相位编码条纹依次投影。二进制条纹离焦投影后在参考平面上产生正弦条纹,对正弦条纹采用相移法得到截断相位
Figure 2013105593827100002DEST_PATH_IMAGE003
，需要相位解包裹得到连续相位
Figure 276485DEST_PATH_IMAGE004
。而条纹级次k(x, y)的正确求取是物体解相位过程中至关重要的一步，国外文献提出了一种准确求解条纹级次的方法。相位编码方法作为一种新型的编码方式，由于其对部件表面明暗程度不敏感，而逐渐受到人们的重视，然而随着编码条纹频率的增加，由于投影仪的离焦等复杂原因，原始的编码相位畸变很严重,求解出来的k(x,y)的跳变点容易出错，且台阶宽度大小不一，如图2所示, 由原始的编码相位难以计算出准确的条纹级次k(x, y)，会出现周期错位等问题，容易导致解码错误。 
三维测量技术是现代制造业的关键基础技术之一，是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，它为产品制造提供必需的三维数据。条纹投影轮廓术广泛应用于物体的三维测量。由于二进制条纹离焦投影能克服投影仪的非线性Gamma效应，相位编码方法对物体表面形貌的明暗程度不敏感，所以结合二进制条纹离焦投影和相位编码的方法越来越受到人们的重视。但目前尚未发现有能很好解决在离焦情况下，条纹级次判决难问题，以及条纹级次周期错位等问题的方法。为解决以上问题，本发明提出一种能很好的解决在离焦情况下，条纹级次判决难问题、跳变处出错以及周期错位等问题，最终实现各种明暗程度的复杂物体高精度的三维测量的相移编码方法。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种相移编码方法，该方法能很好的解决在离焦情况下，条纹级次判决难问题，跳变处出错以及周期错位等问题，实现各种明暗程度的复杂物体高精度的三维测量，具有很高的实用价值。 
本发明是这样来实现的，其特征是由相移编码方法的原理、基于相移编码方法的k(x, y)编码方法、基于相移编码方法的k(x, y)校正和周期错位校正方法三大关键技术组成。 
本发明所述的相移编码方法的原理，对于任意的周期信号
Figure 2013105593827100002DEST_PATH_IMAGE005
，相移编码的结果,B=F[,
Figure 719285DEST_PATH_IMAGE006
,…,
Figure DEST_PATH_IMAGE007
], n表示相移步数， 
Figure 451486DEST_PATH_IMAGE008
表示相移步长,函数F[A(φ),
Figure 924056DEST_PATH_IMAGE006
,…,
Figure DEST_PATH_IMAGE009
]表示相移信号
Figure 99822DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 25053DEST_PATH_IMAGE006
,…,之间的任何运算；取其中的某几个相移信号，通过改变相移步长、相移步数和函数F表示的运算，可根据实际要求对周期信号
Figure 310858DEST_PATH_IMAGE005
进行任意编码，实现各种功能。 
本发明所述的基于相移编码的k(x, y)编码方法，是利用相移编码方法的原理对k(x, y)实现编码，从而用周期数为N/2的k(x, y)得到了周期数N的新k(x, y)，实现了条纹级次k(x,y)周期数加倍，即是用周期数为N/2的相位编码条纹实现了周期数为N的相位编码条纹周期的测量精度，解决了由于离焦带来的k(x, y)判决困难问题。 
本发明所述的基于相移编码方法的k(x, y)校正方法和周期错位校正方法，是利用相移编码方法的原理对k(x, y)进行校正，通过对截断相位进行分段，条纹级次k(x, y)根据截断相位分段进行合理取值，使得k(x, y)与截断相位一一对应，实现相位的解包裹，能很好的解决离焦等原因带来的在条纹级次k(x, y)的跳变部分容易出错和周期错位问题。  
本发明的优点是：（1）提出了相移编码方法的广义定义，相移编码方法与周期信号A(φ)、相移步长、相移步数和函数F相关，函数F可以为加、减、或、异或等规定的任意运算，通过改变相移步长、相移步数和函数F表示的运算，根据实际要求对周期信号A(φ)进行任意编码，实现各种功能；（2）能解决随着编码条纹周期数增加，由于离焦导致的条纹级次k(x, y)的判别困难；（3）能解决条纹级次k(x,y)的跳变部分出现的错误，实现条纹级次校正；（4）能解决截断相位和条纹级次的周期错位问题；（5）操作方便，实现复杂物体高精度的三维测量，具有很高的实用价值。
附图说明
图1为本发明的三维测量系统示意图。 
图2为相位编码条纹周期个数为64的某一行条纹级次k(x, y)。 
图3为本发明的k(x, y)的相移编码方法原理图（某一行）。 
图4为本发明的条纹级次和周期错位校正图（某一行）。 
在图中，1、投影仪，2、摄像机，3、计算机，4、测量支架，5、参考平面，6、待测物体，（a）某一行原始的编码相位，（b）计算得到的条纹级次k(x,y)。 
具体实施方式
（1）相移编码方法的原理：对于任意的周期信号
Figure 408258DEST_PATH_IMAGE005
，相移编码的结果,B=F[
Figure 820785DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 848784DEST_PATH_IMAGE006
,…,
Figure 30366DEST_PATH_IMAGE007
], n表示相移步数，例如二步，三步，四步相移；
Figure 282356DEST_PATH_IMAGE008
表示相移步长；函数F[A(φ),
Figure 182179DEST_PATH_IMAGE006
,…,
Figure 748290DEST_PATH_IMAGE009
]表示相移信号
Figure 361542DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 722117DEST_PATH_IMAGE006
,…,
Figure 109236DEST_PATH_IMAGE010
之间的任何运算, 可以为加、减、或、异或，也可以为规定的运算；运算时可根据需要只取其中的某几个相移信号，相移编码方法与周期信号、相移步长、相移步数和函数F相关，通过改变相移步长、相移步数和函数F表示的运算，可根据实际要求对周期信号
Figure 431950DEST_PATH_IMAGE005
进行任意编码，实现各种功能。 
(2)基于相移编码方法的k(x, y)编码方法：如图3上半部分所示，任选阶梯形信号k1(x, y)作为研究对象，取n=2，相移步长为半个周期。原始的阶梯形信号为k1(x,y)，对它左移自身半个周期后得到信号k2(x,y)，根据相移编码方法的原理，将函数功能F定义为加，即将k1(x,y)与k2(x,y)对应值相加，就可得到阶梯形信号k(x,y)。图中下半部分为离焦二进制条纹四步相移得到的截断相位，由于相位编码条纹周期数为二进制条纹的一半，求解的条纹级次k1(x, y)周期数只有的一半，但是经过相移编码后k(x,y)周期数是k1(x, y)的2倍，周期数正好与截断相位相同，可以实现相位的解包裹。该 
方法可解决由于投影仪非线性Gamma效应和离焦导致的条纹级次的判决难题。类似地,当n=3、4时，相移步长为1/3、1/4个周期也可以得到新的编码结果。
(3)基于相移编码方法的条纹级次和周期错位校正方法：实验中发现，由于投影仪的非线性Gamma效应和离焦等原因，对条纹级次k(x, y)求取过程中存在以下问题，1.在条纹级次k(x, y)的跳变部分容易出错；2， k(x, y)出现周期错位，即截断相位和条纹级次不一一对应。采用相移编码方法可以同时实现条纹级次和周期错位校正。实验发现，在每个相同区域内的中间部分较为稳定不容易出错，并且截断相位由于是离焦二进制条纹相移得到的，准确性与离焦无关。将截断相位的每一段[-π~π]分为三段，将具体实施方式2中得到的条纹级次k(x, y)记为k3(x, y), 将k3(x, y)向左相移自身半个周期得到k4(x, y)，如图4所示。由于k3(x, y)的边缘部分正好对应k4(x, y)的中间部分，将函数F功能定义为分段取值，用k4(x, y)的中间部分代换k3(x, y)边缘部分就能校正k3(x, y) 边缘部分条纹级次的错误, 其余的位置仍然取k3(x, y)。原理如公式(2)所示,可以同时实现条纹级次和周期错位校正。 

Claims (4)

1.一种相移编码方法，其特征是由相移编码方法的原理、基于相移编码方法的k(x, y)编码方法、基于相移编码方法的k(x, y)校正和周期错位校正方法三大关键技术组成。
2.根据权利要求1所述的一种相移编码方法，其特征在于所述相移编码方法的原理，对于任意的周期信号                                               ，相移编码的结果,B=F[
Figure 96508DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 2013105593827100001DEST_PATH_IMAGE004
,…,], n表示相移步数， 
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示相移步长,函数F[A(φ),
Figure 826698DEST_PATH_IMAGE004
,…,
Figure DEST_PATH_IMAGE010
]表示相移信号
Figure 606435DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 63961DEST_PATH_IMAGE004
,…,
Figure DEST_PATH_IMAGE012
之间的任何运算；取其中的某几个相移信号，通过改变相移步长、相移步数和函数F表示的运算，可根据实际要求对周期信号
Figure 878334DEST_PATH_IMAGE002
进行任意编码，实现各种功能。
3.根据权利要求1所述的一种相移编码方法，其特征在于所述基于相移编码的k(x, y)编码方法，是利用相移编码方法的原理对k(x, y)实现编码，从而用周期数为N/2的k(x, y)得到了周期数N的新k(x, y)，实现了条纹级次k(x,y)周期数加倍。
4.根据权利要求1所述的一种相移编码方法，其特征在于所述基于相移编码方法的k(x, y)校正方法和周期错位校正方法，是利用相移编码方法的原理对k(x, y)进行校正，通过对截断相位进行分段，条纹级次k(x, y)根据截断相位分段进行合理取值，使得k(x, y)与截断相位一一对应，实现相位的解包裹。
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