CN105093893B - 时空三维相位解包裹的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种时空三维相位解包裹的方法和装置，所述方法包括：对对应于一待测物面的包裹相位图的至少一特征点进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位，所述至少一特征点为所述包裹相位图的部分点；以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位。本发明可以较低的成本得到包裹相位图全场的绝对相位，还可处理对应于不连续物面的包裹相位图。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种时空三维相位解包裹的方法和装置。
背景技术
相位解包裹是将通过相移、空间载波等技术得到的以2π为模进行调制的包裹相位还原成未调制的相位的过程，其在航空航天、力学研究等领域基于但不限于数字散斑干涉等光学测量技术中得到广泛的应用。
空间相位解包裹(Spatial Phase Unwrapping，简称SPU)和时间相位解包裹(Temporal Phase Unwrapping，简称TPU)是常用的两种相位解包裹方法，其中：空间相位解包裹技术成熟、成本低、精度高、准确性好，但采用空间相位解包裹得到的待测物面各点的解包裹相位是相对某一参考点的相对相位，无法获取各点的绝对相位；而且不能处理空间不连续的相位分布。而采用时间相位解包裹得到的待测物面各点的解包裹相位是各点的绝对相位，但图像采集和处理量很大，成本高，而且仅适用于形变速率缓慢的应用场合。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明实施例提供一种时空三维相位解包裹的方法和装置。
一方面，本发明实施例提供了一种时空三维相位解包裹的方法，包括：
对对应于一待测物面的包裹相位图的至少一特征点进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位，所述至少一特征点为所述包裹相位图的部分点；
以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，对所述至少一特征点进行时间相位解包裹之前，还包括：将所述包裹相位图分为至少一连续子区；在各所述连续子区里分别确定一所述特征点。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位，包括：以各所述特征点为各所述特征点分别所在的各所述连续子区的起始参考点，对各所述连续子区分别进行空间相位解包裹，得到各所述连续子区各点的绝对相位。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，对所述至少一特征点进行时间相位解包裹之前，还包括：确定所述包裹相位图中形变速率满足第一预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，所述第一预定条件包括：所述形变速率小于或等于一形变速率阈值，所述形变速率阈值小于所述包裹相位图的最大形变速率。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，采用下式确定所述形变速率阈值：
Dr＝σ×d×f
其中，Dr表示形变速率阈值，d表示相位变化为π时的形变量，f表示图像采集装置的采样帧率，σ大于0且小于1。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，对所述至少一特征点进行时间相位解包裹之前，还包括：确定所述包裹相位图中相位变化率满足第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，确定所述包裹相位图中相位变化率满足所述第二预设条件的至少一点为所述至少一特征点，包括：根据沿时间轴采集所述包裹相位图形变过程的多帧图像，确定所述包裹相位图中多点的相位分别随时间的变化关系；根据所述多点的相位分别随时间的变化关系，确定所述多点中相位变化率满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，所述第二预定条件包括：所述相位变化率小于或等于一相位变化率阈值，所述相位变化率率阈值小于所述包裹相位图的最大相位变化率。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，根据所述多点的相位分别随时间的变化关系，确定所述多点中相位变化率满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点，包括：以点为统计粒度分别对所述多点进行统计处理，以获取反映各点相位变化率的采样点的数量和/或相位差值，其中，对所述多点中的任一点的统计处理包括：沿时间轴统计对应所述任一点的所述采样点的数量和/或所述任一点在各相邻图像采样时刻的相位差值；确定所述多点的统计结果中所述采样点的数量和/或所述相位差值满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，所述第二预定条件包括：对应所述多点中同一点的采样点的数量大于或等于一采样点数量阈值、和/或对应所述多点中同一点的相位差值小于或等于一相位差阈值；其中，所述采样点数量阈值大于所述多点的统计结果中各点分别对应的采样点的数量的最小值，所述相位差阈值小于所述多点的统计结果中各点分别对应的相位差值的最大值。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的方法，可选的，所述采样点数量阈值为所述多点的统计结果中各点分别对应的采样点的数量的最大值，和/或，所述相位差阈值为所述多点的统计结果中各点分别对应的相位差值的最小值。
另一方面，本发明还提供了一种时空三维相位解包裹的装置，包括：
一时间相位解包裹模块，用于对对应于一待测物面的包裹相位图的至少一特征点进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位，所述至少一特征点为所述包裹相位图的部分点；
一空间相位解包裹模块，用于以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的装置，可选的，还包括：一第一特征点确定模块，用于将所述包裹相位图分为至少一连续子区，并在各所述连续子区里分别确定一所述特征点。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的装置，可选的，所述空间相位解包裹模块包括：一空间相位解包裹子模块，用于以各所述特征点为各所述特征点分别所在的各所述连续子区的起始参考点，对各所述连续子区分别进行空间相位解包裹，得到各所述连续子区各点的绝对相位。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的装置，可选的，还包括：一第二特征点确定模块，用于确定所述包裹相位图中形变速率满足第一预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的装置，可选的，还包括：一第三特征点确定模块，用于确定所述包裹相位图中相位变化率满足第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
结合本发明实施例提供的任一种时空三维相位解包裹的装置，可选的，所述第三特征点确定模块包括：一相位时间变化确定子模块，用于根据沿时间轴采集所述包裹相位图形变过程的多帧图像，确定所述包裹相位图中多点的相位分别随时间的变化关系；一特征点确定子模块，用于根据所述多点的相位分别随时间的变化关系，确定所述多点中相位变化率满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
本发明实施例提供的技术方案，将传统的时间相位解包裹的方法与空间相位解包裹的方法进行有机结合、优势互补，即降低了传统的时间相位解包裹的图像采集和数据处理量以及硬件成本，还解决了传统的空间相位解包裹方法无法获得绝对相位、无法确定不连续物面的相位分布的至少一种缺陷，可获取所述待测物面多点的绝对相位，获得的绝对相位精度和准确性相对较高，具有广泛的应用前景。
通过以下结合附图对本发明的可选实施例的详细说明，本发明的这些以及其它的优点将更加明显。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的可选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种时空三维相位解包裹的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种时空三维相位解包裹的方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的数字散斑干涉技术中采用的一维离面的空间载波测量系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种时空三维相位解包裹的装置的逻辑框图；
图5为本发明实施例提供的另一种时空三维相位解包裹的装置的逻辑框图；
图6为本发明实施例提供的又一种时空三维相位解包裹的装置的逻辑框图。
附图标记说明：
1-激光器； 2-可调分光平片； 3-平面反射；
4-扩束透镜； 5-光阑； 6-成像透镜；
7-光纤； 8-耦合透镜； 9-分光棱镜；
10-待测物面； 11-图像采集装置。
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行详细描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图和说明中仅仅描述了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了对与本发明关系不大的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
本领域技术人员可以理解，本申请中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
下面结合附图(若干附图中相同的标号表示相同的元素)和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明实施例提供的一种时空三维相位解包裹的方法的流程图。时空三维相位解包裹的方法的执行主体可为一时空三维相位解包裹的装置，所述时空三维相位解包裹的装置的设备表现形态非常灵活，例如，所述时空三维相位解包裹的装置可为某一独立部件，或者，所述时空三维相位解包裹的装置可为某一功能模块集成在如控制器或处理器等其他设备中，本发明实施例对此并不限制。具体如图1所示，本发明实施例提供的一种时空三维相位解包裹的方法包括：
S101：对一待测物面的包裹相位图的至少一特征点进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位，所述至少一特征点为所述包裹相位图的部分点。
S102：以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位。
所述待测物面的原始相位以2π为模进行调制的包裹相位，通常采用反映多点包裹相位的包裹相位图的方式表示。所述包裹相位图上的一点，对应所述待测物面的某一物点，因此，如果得到所述包裹相位图上各点的绝对相位，也就得到了所述待测物面上各相应物点的绝对相位。
本发明发明人在实践本发明实施例的过程中发现，在相位解包裹的实际应用过程中，空间相位解包裹和时间相位解包裹两种方法通常是独立使用，然而这两种方法各有利弊，例如：空间相位解包裹主要原理是以包裹相位二维空间中的某一点为参考点，并以该参考点为起始点沿某一路径的积分运算来获得其他各点的解包裹相位，该方法技术成熟、成本低、精度高、质量好、准确性高，但采用该方法获得的各点的相位均为相对参考点的相对相位，无法获的各点的绝对相位；而时间相位解包裹的主要原理是对包裹相位图中的各点在时间轴上的相位解包裹，该方法可得到各点的绝对相位，但该方法需要对包裹相位图的各点分别进行时间轴上的相位解包裹处理，图像采集和数据处理量很大，成本高。
而本发明实施例提供的技术方案采用时间相位解包裹的方法对包裹相位图的至少一特征点(即所述包裹相位图的部分点，而并非所述包裹相位图的所有点)进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位，之后，在以所述至少一特征点的至少之一作为参考点，将该参考点作为起始点，采用空间相位解包裹的方法求取所述包裹相位图至少一其他点的绝对相位。也就是说，一方面，本发明实施例提供的技术方案，相对仅采用时间一个维度对包裹相位图各点进行相位解包裹的传统方法，由于减少了需要进行时间相位解包裹的点的数量，因此，减少了图像采集和数据处理量，降低了成本；另一方面，本发明实施例提供的技术方案，相对仅采用空间二个维度对包裹相位图各点进行相位解包裹的传统方法，由于进行空间相位解包裹的路径的起始点的相位，为采用时间相位解包裹的方法求得的绝对相位(并非传统方法中的相对相位)，这使得基于该起始点求取的其他点的解包裹相位也均为绝对相位。可见，本发明实施例将时间一维解包裹和空间二维解包裹等二种方法有机结合，创造性的提供了一种时空三维(即空间二维和时间一维)相位解包裹的方法，由此实现二种相位解包裹方法的优势互补，以较低的成本获取的包裹相位图多点较准的绝对相位，可更好满足实际应用的需求。
此外，可选的，传统的空间相位解包裹方法不能处理空间不连续的相位分布，而采用本发明实施例提供的技术方案，可将所述包裹相位图分为至少一连续子区，在各所述连续子区里分别确定一所述特征点。也就是说，如果获得的包裹相位图是连续的，则可在整幅包裹相位图中确定一个特征点。如果获得的包裹相位图是非连续的，则可将所述包裹相位图分为多个连续子区，可在每个连续子区中分别确定一个特征点，这样，分别对各特征点进行时间相位解包裹，求得各特征点的绝对相位，之后，可对各连续子区内的点进行空间相位解包裹，例如，以各所述特征点为各所述特征点分别所在的各所述连续子区的起始参考点，对各所述连续子区分别进行空间相位解包裹，得到各所述连续子区各点的绝对相位。可见，本发明实施例将时间相位解包裹和空间相位解包裹进行有机结合，有效解决了传统空间相位解包裹不能处理空间不连续的相位分布的缺陷，使得本发明实施例提供的技术方案可应用到更宽的场合中，提高了方案的普适性。
进一步的，本发明实施例的发明人在实践本发明实施例的过程中还发现，仅采用时间维度对包裹相位图各点进行相位解包裹的传统方法要得到包裹相位图各点的绝对相位，要求包裹相位图各点中随时间变化最快的点的图像采集必须满足奈奎斯特采样定律，即在π相位变化时长内包裹相位图各点中随时间变化最快的点必须存在至少二个采样点，因此仅采用时间相位解包裹对包裹相位图各点进行相位解包裹的传统方法对硬件的图像采集速率要求很高，硬件成本非常昂贵。为此，在本发明实施例上述技术方案的基础上，可根据包裹相位图中的点的形变速率和/或相位变化率等一种或多种因素，选择所述包裹相位图上变化相对较慢的部分点作为所述至少一特征点，由此来降低相位解包裹所需的如图像采集设备等硬件的成本。
(1)确定需要进行时间相位解包裹的特征点的一种可选的实现方式中，可确定所述包裹相位图中形变速率满足第一预定条件的至少一点为所述至少一特征点。所述第一预定条件的具体内容可在满足所述包裹相位图中形变速率较低的要求的情形下灵活确定，其中，“形变速率较低”表示特征点对应的形变速率并非最大形变速率，例如，所述第一预定条件包括：所述形变速率小于或等于一形变速率阈值，所述形变速率阈值小于所述包裹相位图的最大形变速率；采用该方案确定的所述至少一特征点并非所述包裹相位图形变最快的点，也就是说，所述至少一特征点满足奈奎斯特采样定律的图像采集要求所需的图像采集设备的采集速率要求，相对所述包裹相位图形变最快的点满足奈奎斯特采样定律的图像采集要求所需的图像采集设备的采集速率要求较低，因此降低了硬件成本。实际应用中，可选择包裹相位图中形变速率相对较低的一个或几个点作为所述至少一特征点，如可选择包裹相位图中形变速率最低的点为特征点(相当于所述形变速率阈值为所述包裹相位图的最小形变速率)，由此尽可能降低对时间相位解包裹所需的图像采集设备的硬件要求，进而进一步降低硬件成本。需要说明的是，所述包裹相位图上点的形变速率可通过观察或者测量待测物面相应物点形变等方式获取，也可根据待测物面的形状、材质等特性进行判断等，实现方式非常灵活，本发明实施例对此并不限制。
(2)确定需要进行时间相位解包裹的特征点的另一种可选的实现方式中，可确定所述包裹相位图中相位变化率满足第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。所述第二预定条件的具体内容可在满足所述包裹相位图中相位变化率较低的要求的情形下灵活确定，其中，“相位变化率较低”表示特征点对应的相位变化率并非最大相位变化率。
可选的，确定所述包裹相位图中多点的相位分别随时间的变化关系，包括：根据所述多帧图像确定所述多点的灰度分别随时间的变化关系；根据灰度与相位之间的对应关系，确定所述多点的相位分别随时间的变化关系。采用该方案获取相位随时间的变换关系，简单易实现。
可选的，确定所述包裹相位图中相位变化率满足所述第二预设条件的至少一点为所述至少一特征点，包括：根据沿时间轴采集所述包裹相位图变化过程的多帧图像，确定所述包裹相位图中多点的相位分别随时间的变化关系；根据所述多点的相位分别随时间的变化关系，确定所述多点中相位变化率满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。该方案相当于在时间维度上对包裹相位图的变化过程进行动态采集，来获得包裹相位图中多点中每个点随时间的变化，时间轴上不同采集时刻得到的多帧图像，根据各点在多帧图像中的变化来获取各点的相位随时间的变化关系。由于该方案确定特征点(变化较慢的点)所需的图像采集速率要求不高，可采用较低成本的图像采集设备即可实现，硬件成本较低。此外，该方案还可复用时间相位解包裹所需的采集图像来确定所述至少一特征点，无需重复图像采集，提高了采集图像的利用率。
可选的，所述第二预设条件的内容可根据相位变化率内容自身直接确定，例如，所述第二预定条件包括：所述相位变化率小于或等于一相位变化率阈值，所述相位变化率阈值小于所述包裹相位图的最大相位变化率，也就是说，所述至少一特征点满足奈奎斯特采样定律的图像采集要求所需的图像采集设备的采集速率要求，相对所述包裹相位图形变最快的点满足奈奎斯特采样定律的图像采集要求所需的图像采集设备的采集速率要求较低，因此降低了硬件成本。实际应用中，可选择包裹相位图中相位变化率相对较低的一个或几个点作为所述至少一特征点，阈值的设定可以考虑如下条件：(1)对于任意前后相邻的两幅相位图中，假设某一点处的相位变化不超过π，即认为该点满足奈奎斯特采样定律的要求，能够对该点的相位进行时间相位解包裹，那么该点对应的形变速率可以作为形变速率阈值；(2)考虑到噪声等原因，可在(1)确定的形变速率，乘以一个系数，该系数的取值在(0,1)范围内。可选的，可采用但不限于下式确定所述形变速率阈值：
Dr＝σ×d×f
其中，Dr表示形变速率阈值，d表示相位变化为π时的形变量，f表示图像采集装置的采样帧率，σ大于0且小于1。通过合理设置阈值，可尽可能降低对时间相位解包裹所需的图像采集设备的硬件要求和噪声干扰，进而进一步降低硬件成本、提高准确性。
或者，可选的，所述第二预设条件的内容可根据反映相位变化率的参数特征(如采样点数量和/或相位差等参数)间接确定，例如，所述第二预定条件包括：对应所述包裹相位图的多点中同一点的采样点的数量大于或等于一采样点数量阈值、和/或对应所述多点中同一点的相位差值小于或等于一相位差阈值；其中，所述采样点数量阈值大于所述多点的统计结果中各点分别对应的采样点的数量的最小值，所述相位差阈值小于所述多点的统计结果中各点分别对应的相位差值的最大值。也就是说，在待测物点的不同点随时间的变化关系中，将对应的采样点数量并非最小(尽可能多)和/或对应的相位差值并非最大(尽可能小)的一个或几个点选出来，相当于图像采集符合奈奎斯特采样定律的概率较大的点选出来，作为所述至少一特征点，由此便于对这些特征点的包裹相位进行时间相位解包裹。进一步可选的，所述采样点数量阈值为所述多点的统计结果中各点分别对应的采样点的数量的最大值，和/或，所述相位差阈值为所述多点的统计结果中各点分别对应的相位差值的最小值，采用该方案确定的特征点，其沿时间轴的图像采集的采样点数量和/或相位差等特性，符合奈奎斯特采样定律的概率最大。利用包裹相位图上的点在时间维度上的采样点数量和/或相位差等反映相位变化率的参数，作为特征点的确定依据的方案，有利于降低特征点确定的复杂度，方案简单易实现。
可以理解，本发明实施例提供的确定需要进行时间相位解包裹的特征点的各种方法可单独使用以确定所需的特征点，也可至少二种结合进行使用以确定所需的特征点，实现方式非常灵活，可满足多样化的实际应用需求。
下面举例说明本发明实施例提供的时空三维相位解包裹的方法在数字散斑干涉技术中的可选应用示例。本领域普通技术人员可以理解，如包裹相位图的包裹相位图等包裹相位的获取方法为现有技术，以下应用仅为一应用示例，本发明实施例提供的技术方案还可应用到采用其他方法获得的包裹相位的解包裹应用中，不再赘述。
图2为本发明实施例提供的另一种时空三维相位解包裹的方法的流程图，图3为本发明实施例提供的数字散斑干涉技术中采用的一维离面的空间载波测量系统的结构示意图，其中，所述空间载波测量系统包括：激光器1、可调分光平片2、平面反射镜3、扩束透镜4、光阑5、成像透镜6、光纤7、耦合透镜8、分光棱镜9，图像采集装置11。其中：激光器1用于产生激光；可调分光平片2沿所述激光传播光路设置，用于将入射的激光分光为物光和参考光；扩束透镜4沿所述物光的传播光路设置，用于将所述物光扩束以照亮整个所述待测物面；光阑5沿所述物光的传播光路设置，用于减少外界杂光进光量，调整光波在频域中的光谱的大小；成像透镜6沿所述物光的传播光路设置，用于被测物面的成像调焦；耦合透镜8沿所述参考光的传播光路设置，用于将所述参考光引入光纤以进行传播；光纤7用于传播所述参考光；分光棱镜9设置自所述光纤出射所述参考光的光路上，用于向所述待测物面引入所述参考光。如相机等图像采集装置11采集一维离面空间载波的激光散斑干涉测量系统的图像。
S201：根据沿时间轴采集所述待测物面形变过程的多帧图像，确定所述待测物面的包裹相位图中全场中各点相位分别随时间的变化关系。
相位和形变的关系可表达为：
其中φ为相位，λ为激光波长，为位移矢量。
S202：以点为统计粒度分别对所述多点进行统计处理，以获取反映各点相位变化率的采样点的数量和相位差值，其中，对所述多点中的任一点的统计处理包括：沿时间轴统计对应所述任一点的所述采样点的数量和所述任一点在各相邻图像采样时刻的相位差值。
S203：确定所述多点的统计结果中所述采样点的数量较多且所述相位差值较小的至少一点为所述至少一特征点，所述至少一特征点为所述包裹相位图的部分点。
本步骤相当于确定相位变化最缓慢或较缓慢的一个点或几个点为所述至少一特征点。实际应用过程中，可将满足对应所述多点中同一点的采样点的数量大于或等于一采样点数量阈值、且对应所述多点中同一点的相位差值小于或等于一相位差阈值的一个点或几个点选出，作为所述至少一特征点。其中，所述采样点数量阈值大于所述多点的统计结果中各点分别对应的采样点的数量的最小值，所述相位差阈值小于所述多点的统计结果中各点分别对应的相位差值的最大值。
S204：对至少一特征点进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位。
实际应用中，激光器产生的激光经扩束后直接投射到待测物面，从待测物面10漫反射回来的光进入如相机等图像采集装置11，与参考光发生干涉，称为散斑干涉或激光散斑干涉。图像采集装置11所记录的图像是从待测物面过来的物光和从另一个具有固定位相关系过来的参考光相干涉后的干涉图。待测物面的形变会改变物光的相位，也就改变了干涉图的强度分布。通过现有技术提供的方法，例如对干涉图进行傅里叶变换、提取相位频谱、傅里叶逆变换、灰度到相位的转换等处理，可将干涉图转换成相位图，但是该相位图中各点的相位是被2π为模调制的，或者称为被包裹的，并非真实的相位图，故称为包裹相位图，需要对包裹相位图进行解包裹以得到各点的绝对相位。
采用上述任一方案确定一个或多个特征点之后，可采用下式对每个特征点的包裹相位进行时间相位解包裹，得到相应特征点的绝对相位：
t＝t0,t1,t2,t3……s
c(t0)＝0...................................(2)
式(2)中，t表示时刻，Δ表示差值，Φu表示实际相位值，Φw为包裹相位值，NINT表示取最近的整数，s表示最后一个采集时刻点，i表示时刻点的序号且为满足0≤i≤s的任一整数。
S205：以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位。
可采用但不限于路径跟踪法(或称为路径依赖法)对所述包裹相位图的多点进行空间相位解包裹，其中，所述路径跟踪法本身为空间相位解包裹的一种现有方法，鉴于此，对空间跟踪法与现有技术相同的部分不再赘述，在此只是说明本发明与现有技术的区别之处：现有技术中，路径跟踪法的起始点的相位值为一相对相位值，而本发明实施例中，路径跟踪法的起始点为所述特征点，所述特征点的相位值为采用时间相位解包裹方法求取了绝对相位。一个可选的实现过程例如，可包括但不限于采用行列逐点解包裹的路径跟踪方式进行空间相位解包裹，具体的，可包括：(1)确定一所述特征点为起始点；(2)从该起始点开始，沿列的方向进行相位解包裹：比较该列前后相邻二点的相位值，如果两者的相位值相差超过预设的阈值，则将后一点的相位加上或减去2π；依次完成整列相位的解包裹过程；(3)以(2)中描述的已经完成相位解包裹过程的列为参考，以列中的所有点为相位的起点，沿行的方向完成各行的相位解包裹，由此完成整幅相位图的相位解包裹过程。由于本发明实施例进行空间相位解包裹的路径的起始点的相位，为采用时间相位解包裹的方法求得的绝对相位(并非传统方法中的相对相位)，因此使得基于该起始点求取的其他点的解包裹相位也均为绝对相位(即真实相位)。
可见，本发明实施例提供的技术方案将传统的时间相位解包裹的方法与空间相位解包裹的方法进行有机结合、优势互补，即降低了传统的时间相位解包裹的图像采集和数据处理量以及硬件成本，还解决了传统的空间相位解包裹方法无法获得绝对相位的缺陷，可获取所述包裹相位图多点的绝对相位，获得的绝对相位精度和准确性相对较高，具有广泛的应用前景。
本领域技术人员可以理解，在本发明具体实施方式的上述任一方法中，各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明具体实施方式的实施过程构成任何限定。
图4为本申请实施例提供的一种时空三维相位解包裹的装置的逻辑框图。如图4所示，所述时空三维相位解包裹的装置包括：一时间相位解包裹模块41和一空间相位解包裹模块42。
时间相位解包裹模块41用于对对应于一待测物面的包裹相位图的至少一特征点进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位，所述至少一特征点为所述包裹相位图的部分点；
空间相位解包裹模块42用于以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位。
本发明实施例提供的技术方案，将时间一维解包裹和空间二维解包裹等二种方法有机结合，由此实现二种相位解包裹方法的优势互补，以较低的成本获取的包裹相位图多点较准的绝对相位，可更好满足实际应用的需求。
所述时空三维相位解包裹的装置的设备表现形态非常灵活，例如，所述时空三维相位解包裹的装置可为某一独立部件，或者，所述时空三维相位解包裹的装置可为某一功能模块集成在如控制器或处理器等其他设备中，本发明实施例对此并不限制。
可选的，如图5所示，所述时空三维相位解包裹的装置还包括：一第一特征点确定模块43。第一特征点确定模块43用于将所述包裹相位图分为至少一连续子区，并在各所述连续子区里分别确定一所述特征点。如果获得的包裹相位图是连续的，则可在整幅包裹相位图中确定一个特征点。如果获得的包裹相位图是非连续的，则可将所述包裹相位图分为多个连续子区，可在每个连续子区中分别确定一个特征点，这样，分别对各特征点进行时间相位解包裹，求得各特征点的绝对相位，之后，可对各连续子区内的点进行空间相位解包裹，有利于提高方案的普适性。
可选的，所述空间相位解包裹模块42包括：一空间相位解包裹子模块421。空间相位解包裹子模块421用于以各所述特征点为各所述特征点分别所在的各所述连续子区的起始参考点，对各所述连续子区分别进行空间相位解包裹，得到各所述连续子区各点的绝对相位。该方案将时间相位解包裹和空间相位解包裹进行有机结合，有效解决了传统空间相位解包裹不能处理空间不连续的相位分布的缺陷，使得本发明实施例提供的技术方案可应用到更宽的场合中，提高了方案的普适性。
可选的，所述时空三维相位解包裹的装置还包括：一第二特征点确定模块44。第二特征点确定模块44用于确定所述包裹相位图中形变速率满足第一预定条件的至少一点为所述至少一特征点。所述第一预定条件包括：所述形变速率小于或等于一形变速率阈值，所述形变速率阈值小于所述包裹相位图的最大形变速率。可选的，可采用下式确定所述形变速率阈值：
Dr＝σ×d×f
其中，Dr表示形变速率阈值，d表示相位变化为π时的形变量，f表示图像采集装置的采样帧率，σ大于0且小于1。
采用该方案确定的所述至少一特征点并非所述包裹相位图形变最快的点，也就是说，所述至少一特征点满足奈奎斯特采样定律的图像采集要求所需的图像采集设备的采集速率要求，相对所述包裹相位图形变最快的点满足奈奎斯特采样定律的图像采集要求所需的图像采集设备的采集速率要求较低，因此降低了硬件成本。
可选的，所述时空三维相位解包裹的装置还包括：一第三特征点确定模块45。第三特征点确定模块45用于确定所述包裹相位图中相位变化率满足第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。所述第二预定条件的具体内容可在满足所述包裹相位图中相位变化率较低的要求的情形下灵活确定，其中，“相位变化率较低”表示特征点对应的相位变化率并非最大相位变化率，也就是说，所述至少一特征点满足奈奎斯特采样定律的图像采集要求所需的图像采集设备的采集速率要求，相对所述包裹相位图形变最快的点满足奈奎斯特采样定律的图像采集要求所需的图像采集设备的采集速率要求较低，因此降低了硬件成本。
可选的，所述第三特征点确定模块45包括：一相位时间变化确定子模块451和一特征点确定子模块452。相位时间变化确定子模块451用于根据沿时间轴采集所述包裹相位图形变过程的多帧图像，确定所述包裹相位图中多点的相位分别随时间的变化关系；特征点确定子模块452用于根据所述多点的相位分别随时间的变化关系，确定所述多点中相位变化率满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。可选的，根据所述多点的相位分别随时间的变化关系，确定所述多点中相位变化率满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点，包括：以点为统计粒度分别对所述多点进行统计处理，以获取反映各点相位变化率的采样点的数量和/或相位差值，其中，对所述多点中的任一点的统计处理包括：沿时间轴统计对应所述任一点的所述采样点的数量和/或所述任一点在各相邻图像采样时刻的相位差值；确定所述多点的统计结果中所述采样点的数量和/或所述相位差值满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。所述第二预定条件可包括：对应所述多点中同一点的采样点的数量大于或等于一采样点数量阈值、和/或对应所述多点中同一点的相位差值小于或等于一相位差阈值；其中，所述采样点数量阈值大于所述多点的统计结果中各点分别对应的采样点的数量的最小值，所述相位差阈值小于所述多点的统计结果中各点分别对应的相位差值的最大值。可选的，所述采样点数量阈值为所述多点的统计结果中各点分别对应的采样点的数量的最大值，和/或，所述相位差阈值为所述多点的统计结果中各点分别对应的相位差值的最小值。
由于该方案确定特征点(变化较慢的点)所需的图像采集速率要求不高，可采用较低成本的图像采集设备即可实现，硬件成本较低。此外，该方案还可复用时间相位解包裹所需的采集图像来确定所述至少一特征点，无需重复图像采集，提高了采集图像的利用率。
图6为本申请实施例提供的另一种混合三维相位解包裹的方法的结构框图，本申请具体实施例并不对混合三维相位解包裹的方法600的具体实现方式做限定。如图6所示，混合三维相位解包裹的方法600可以包括：
处理器(Processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(Memory)630、以及通信总线640。其中：
处理器610、通信接口620、以及存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。
通信接口620，用于与比如具有通信功能的设备、外部光源等通信。
处理器610，用于执行程序632，具体可以执行上述任一光场采集控制方法实施例中的相关步骤。
例如，程序632可以包括程序代码，所述程序代码包括计算机操作指令。
处理器610可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
存储器630，用于存放程序632。存储器630可能包含随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(Non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。例如，在一种可选的实现方式中，处理器610通过执行程序632可执行以下步骤：对对应于一待测物面的包裹相位图的至少一特征点进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位，所述至少一特征点为所述包裹相位图的部分点；以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位。在其他可选的实现方式中，处理器610通过执行程序632还可执行上述其他任一实施例提及的步骤，在此不再赘述。
程序632中各步骤的具体实现可以参见上述实施例中的相应步骤、模块、子模块、单元中对应的描述，在此不再赘述。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的设备和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程描述，在此不再赘述。
在本发明上述各实施例中，实施例的序号和/或先后顺序仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。有关装置、设备或系统实施例的实施原理或过程的相关描述，可参见相应方法实施例的记载，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的装置、方法、系统等实施例中，显然，各部件(系统、子系统、模块、子模块、单元、子单元等)或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
最后应说明的是：以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，故所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种时空三维相位解包裹的方法，其特征在于，包括：
对对应于一待测物面的包裹相位图的至少一特征点进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位，所述至少一特征点为所述包裹相位图的部分点；
以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位；
对所述至少一特征点进行时间相位解包裹之前，还包括：将所述包裹相位图分为至少一连续子区；在各所述连续子区里分别确定一所述特征点；和/或，确定所述包裹相位图中形变速率满足第一预定条件的至少一点为所述至少一特征点；和/或，确定所述包裹相位图中相位变化率满足第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位，包括：以各所述特征点为各所述特征点分别所在的各所述连续子区的起始参考点，对各所述连续子区分别进行空间相位解包裹，得到各所述连续子区各点的绝对相位；和/或，
所述第一预定条件包括：所述形变速率小于或等于一形变速率阈值，所述形变速率阈值小于所述包裹相位图的最大形变速率；和/或，
确定所述包裹相位图中相位变化率满足所述第二预设条件的至少一点为所述至少一特征点，包括：根据沿时间轴采集所述包裹相位图形变过程的多帧图像，确定所述包裹相位图中多点的相位分别随时间的变化关系；根据所述多点的相位分别随时间的变化关系，确定所述多点中相位变化率满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
采用下式确定所述形变速率阈值：Dr＝σ×d×f，其中，Dr表示形变速率阈值，d表示相位变化为π时的形变量，f表示图像采集装置的采样帧率，σ大于0且小于1；和/或，
所述第二预定条件包括：所述相位变化率小于或等于一相位变化率阈值，所述相位变化率率阈值小于所述包裹相位图的最大相位变化率。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
根据所述多点的相位分别随时间的变化关系，确定所述多点中相位变化率满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点，包括：以点为统计粒度分别对所述多点进行统计处理，以获取反映各点相位变化率的采样点的数量和/或相位差值，其中，对所述多点中的任一点的统计处理包括：沿时间轴统计对应所述任一点的所述采样点的数量和/或所述任一点在各相邻图像采样时刻的相位差值；确定所述多点的统计结果中所述采样点的数量和/或所述相位差值满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二预定条件包括：
对应所述多点中同一点的采样点的数量大于或等于一采样点数量阈值、和/或对应所述多点中同一点的相位差值小于或等于一相位差阈值；其中，所述采样点数量阈值大于所述多点的统计结果中各点分别对应的采样点的数量的最小值，所述相位差阈值小于所述多点的统计结果中各点分别对应的相位差值的最大值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采样点数量阈值为所述多点的统计结果中各点分别对应的采样点的数量的最大值，和/或，所述相位差阈值为所述多点的统计结果中各点分别对应的相位差值的最小值。
7.一种时空三维相位解包裹的装置，其特征在于，包括：
一时间相位解包裹模块，用于对对应于一待测物面的包裹相位图的至少一特征点进行时间相位解包裹，得到所述至少一特征点的绝对相位，所述至少一特征点为所述包裹相位图的部分点；
一空间相位解包裹模块，用于以所述至少一特征点的至少之一为起始参考点，对所述包裹相位图进行空间相位解包裹，得到所述包裹相位图的至少一其他点的绝对相位；
还包括：一第一特征点确定模块，用于将所述包裹相位图分为至少一连续子区，并在各所述连续子区里分别确定一所述特征点；和/或，一第二特征点确定模块，用于确定所述包裹相位图中形变速率满足第一预定条件的至少一点为所述至少一特征点；和/或，一第三特征点确定模块，用于确定所述包裹相位图中相位变化率满足第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述空间相位解包裹模块包括：一空间相位解包裹子模块，用于以各所述特征点为各所述特征点分别所在的各所述连续子区的起始参考点，对各所述连续子区分别进行空间相位解包裹，得到各所述连续子区各点的绝对相位；和/或，
所述第三特征点确定模块包括：一相位时间变化确定子模块，用于根据沿时间轴采集所述包裹相位图形变过程的多帧图像，确定所述包裹相位图中多点的相位分别随时间的变化关系；一特征点确定子模块，用于根据所述多点的相位分别随时间的变化关系，确定所述多点中相位变化率满足所述第二预定条件的至少一点为所述至少一特征点。
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