CN105136067B - 相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，包括：采用相移法相位测量轮廓术测量时，按照实际测量需求更改某个需要评价参数的设定值，并保持测量中的其它可设定参数不变；采用恒定相位投影技术求解得到被评价参数在不同设定值下的解调相位误差；分析得到解调相位误差统计特性满足测量要求或者达到最优时被评价参数的设定值，这些值便是被评价参数实际测量中可选用的值，选取满足测量要求且成本最低的被评价参数设定值作为该参数的优化选用值。本发明通过简单易行的实验手段，而非建立模型进行理论推断，直接获得测量中各个主要可调参数对解调相位误差的实际影响，使得准确地选择各个参数成为可能，有助于提高测量精度和速度。

Description

相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法

【技术领域】

本发明属于光学三维测量领域，涉及一种基于恒定相位投影技术的相移法条纹投影三维测量轮廓术的投影与采样环节可调参数的优化选用方法。

【背景技术】

三维测量是工业加工、检测中的必须环节，对于保证产品质量有着重要意义。同时，它在逆向工程、3D打印等领域也有着广泛应用。近年来，随着科技的发展，对三维测量的要求也逐步提高，对全场三维测量的需求越来越广泛。基于条纹投影的相位测量轮廓术，由于其测量精度较高、速度快、点云密集，近三十年来得到了快速发展与广泛应用。其中相移法相位测量轮廓术，与其它条纹投影相位测量轮廓术相比测量精度更高、对测量表面适应性更强，实际应用更为广泛。

相移法相位测量轮廓术中的主要可调参数包括条纹幅值、条纹背景项、相移步数等。可调参数优化选用的目的是用最短的测量时间得到满足测量精度要求的解调相位。虽然近些年来相移法相位测量轮廓术得到了广泛而深入的研究，但是在关于其投影与采样环节可调参数优化选用上的系统研究工作却较少。

已有的一些研究工作大多集中在对某个参数的优化选用上。文献《Maximum SNRpattern strategy for phase shifting methods in structured light illumination》述及了解调相位中随机噪声的传统去除方法——提高采样次数，文章中采用了2000次采样的策略用于消除随机噪声。文献《Gamma model and its analysis for phase measuringprofilometry》通过理论分析得到了相移步数对解调相位精度影响的理论模型，通过该模型指出了相移步数越多解调相位精度越高这一测量规律。文献《Generic gammacorrection for accuracy enhancement in fringe-projection profilometry》在利用《Phase error analysis and compensation for nonsinusoidal waveforms in phase-shifting digital fringe projection profilometry》中部分推论的基础上，通过理论分析得出：采用七步相移法能够非常精确地求解得到解调相位。这些研究工作在实际应用中都是很有价值的，对于相关参数的选用有着良好的指导意义。但是上述方法也存在一些问题：首先，有些结论的得出是建立在一定的假设下的，而这些假设在实际测量中未必完全成立；其次，它们都无法给出在选定参数下解调相位的量化误差，从而无法对所选条件下的相位解调精度进行评价也无法实现对相应参数的快速优化选用。现在仍旧没有一种简便、有效的相移法相位测量轮廓术可调参数的全面优化选用方法。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，以实现对相移法相位测量轮廓术主要可调参数的优化选用，从而克服现有技术存在的不足。本方法的核心是：保持其它参数不变，控制一个或多个可调参数按照测量需求变化，同时编码生成对应于可调参数各个值的恒定相位图并采样；解调得到采样图像的相位值，并进行相位误差求解；分析相位误差随可调参数的变化规律，根据该变化规律以及实际测量需求即可判定该参数的优化选用值。由于相移法相位测量轮廓术的相位解调是逐像素点进行的，采用恒定相位图求得的优化选用参数即可作为实际测量时条纹图的优化选用参数。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待评价的可设定参数P，并给定所有可设定参数的初值；

步骤2：采用恒定相位投影技术求解得到待评价参数的解调相位误差；

步骤3：改变待评价的可设定参数值，其他可设定参数值不变，重复步骤2，得到待评价参数在不同设定值下的解调相位误差；

步骤4：根据解调相位误差统计特征得到满足测量要求或者测量效果达到最优时被评价参数的设定值，这些值便是被评价参数实际测量中可选用的值，选取满足测量要求且成本最低的被评价参数设定值作为该参数的优化选用值。

进一步的，所述可设定参数包括条纹背景项、条纹幅值、采样数、相移步数、被测物体表面反射率、相机曝光时间。

进一步的，所述步骤2的具体方法为：针对待评价的可设定参数的给定值，确定其恒定相位图，然后将该恒定相位图投影到待测量表面，采样图像，计算采样图像的解调相位，将该解调相位对应的解包裹相位与恒定相位图设定的相位相减，即得解调相位误差。

进一步的，恒定相位图根据以下公式计算：

其中，a为条纹背景项，b为条纹幅值，x、y为像素坐标；φ是初相位，N为相移步数，P为待评价参数；

所述解调相位根据以下公式计算：

其中，为采样图像的灰度。

进一步的，当评价参数为背景项a，幅值b，采样次数，被测物体表面反射率，或者曝光时间时，φ可以取任意值，但其优化选用值为0°，当评价参数为相移步数N时，φ的取值范围为保证gamma效应引起的相位误差绝对值最大时的相位值。

进一步的，步骤4中确定解调相位误差统计特性的方法主要包括相位误差的均方根误差及相位误差绝对值最大值。

进一步的，步骤4中确定解调相位误差统计特性的方法为：当待评价参数为条纹幅值、条纹背景项，采样次数，被测物体表面反射率，或者曝光时间时，采用解调相位误差的均方根误差，当待评价参数为相移步数时，采用相位误差绝对值的最大值。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明是基于实验的，并非基于建立在某种假设下的数学模型，能够直接测定各个参数取值对解调相位精度带来的真实影响，并且能够提供量化结果；本发明能够综合评定条纹背景项、条纹幅值、曝光时间及相移步数等可调参数对测量精度的影响，进而对这些参数做出整体的优化选用，提高测量精度；本发明的实施不需要任何辅助仪器，在实际应用中更为实用。

【附图说明】

图1为采样得到的不同幅值下的设定相位为0的恒定相位图，设定幅值分别为(a)10、(b)20、(c)30、(d)50、(e)70、(f)90、(g)100；

图2为对应于图1所示采样图像的解调相位误差的三维图，其对应恒定相位图的幅值分别为(a)10、(b)20、(c)30、(d)50、(e)70、(f)90、(g)100；这里坐标未明确标示，x、y坐标为像素，z坐标为解调相位相位误差值，单位为弧度；

图3为采用本发明所述方法实测得到的解调相位均方根误差随条纹幅值的变化曲线图。

【具体实施方式】

本发明公开了一种相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，包括以下步骤：

步骤1：保持测量中的其它可设定参数不变，按照实际测量需求更改某一个或多个需要评价参数的设定值；

步骤2：采用恒定相位投影技术求解得到被评价参数在不同设定值下的解调相位误差；

步骤3：分析得到解调相位误差统计特性满足测量要求或者达到最优值时被评价参数的设定值，这些值便是被评价参数实际测量中可选用的值，选取满足测量要求且成本最低的被评价参数设定值作为该参数的优化选用值。

步骤1中所述的可设定参数包括但不限于条纹背景项、条纹幅值、采样数、相移步数、被测物体表面反射率、相机曝光时间等参数。当然由于采用了恒定相位条纹图，个别可调参数无法通过该方法进行优化选用，比如条纹周期。

假设需要评价参数P，按照步骤1所述，保持其它参数不变，调节P的值，同时针对每个参数P，按照步骤2编码生成如下恒定相位图：

其中，a为条纹背景项，b为条纹幅值，x、y坐标为像素；φ是一设定的相位值，N为相移步数。需要说明的是φ的取值根据评价参数的不同是不同的。

当评价参数为背景项a，幅值b，或者曝光时间等参数时，理论上φ可以取任意值，但为了简便其值通常应在[0,π]范围内选定，而且优化的选用值是φ＝0。这是因为在相位为0时，基本不存在gamma效应的影响，更容易分析所评价参数变化对测量精度的实际影响。

当评价参数为相移步数N时，φ的取值是受限的，因为需要保证φ所对应的相位误差是所有可能相位值对应误差的最大值。为了保证这一点，φ的取值需要随N变化，其值通常为使得gamma效应引起的相位误差绝对值最大时的相位值。此时φ的取值可以通过公开号为：CN104048621A，发明名称为：一种基于恒定相位编码的数字相移三维测量轮廓术相位误差检测方法的中国专利申请所提供的方法求解。需要说明的是，对于一个确定的测量系统，评价相移步数N时的φ值是确定的，因而一次测量即可后续多次使用。

依次投影恒定相位图到一个标准参考面或者其它测量表面上，通过相机采样得到投影到测量表面上恒定相位图的图像，设采样得到的第n步相移恒定相位图的灰度为

步骤2中的相位解调误差求解方法如下：

首先，采用如下公式解调得到采样图像的相位：

其次，当φ∈[0,π]时，将解调相位与恒定相位图的设定相位相减即可得到实际的相位测量误差：

步骤3中的相位误差统计特性，当P代表条纹幅值、条纹背景项、曝光时间等参数时，推荐选用相位误差的均方根误差，当然也可以用误差绝对值均值等其它评价指标；当P代表相移步数时，可以选用相位误差绝对值的最大值，也可以选用相位误差的均方根误差等其它指标，具体可根据实际需求灵活选用。观察所选用统计特性的值随P值的变化，当统计特性的值满足测量要求或者是测量精度达到最高时，选取最经济的P值作为实际测量中的选用值。

解调相位的均方根误差根据以下公式计算：

其中C、R分别为采样图像选用区域的列数及行数。

解调相位的误差绝对值最大值根据以下公式计算：

其中，函数max表示求解最大值，符号||表示取绝对值。取满足测量精度时对应的N的最小值作为条纹投影的相移步数。

需要指出的是，这些可调参数之间并非相互独立的。上述说明只提及了单一参数的优化选用，在实际应用中，通过在上述过程中同时考虑更多的参数，可以同时得到更多参数最终的优化选用。

上述方法虽然被用来优化选用测量中的可调参数，但其应用范围不局限于所述方面。可以将所述方法推广到评价测量中其它不可调参数对测量精度的影响上。

为了更好地理解本发明，下面结合附图和一个实施例对本发明的技术方案作详细描述。

为了实现对条纹对比度的优化选用，首先确定其它参数值，这里条纹背景项设定为100，相移步数设定为3，其次将条纹对比度分别设为10，20，30，50，70，90，100。

编码生成如下相移恒定相位图像：

其中b＝10,20,30,50,70,90,100。投影条纹图到被测表面后，利用相机对图像采样。图1所示为采样得到的不同条纹幅值下的恒定相位图。

设采样图像的灰度为那么对应于每个条纹幅值的解调相位可以如下求得：

由于这里恒定相位图的设定相位为0，所以解调得到的相位值即为相位误差值，如图2所示。

计算不同幅值下解调相位的均方根误差(RMS)：

这里选用的采样图像尺寸为1024×768。

图3所示为求解得到的不同条纹幅值下解调相位误差的均方根误差值。可以看到，在选定范围内，随着条纹幅值的增加解调相位误差的均方根误差逐渐减小。由此判断，本实验中条纹幅值的优化选用值应为100。

可见，本发明能够非常简便地实现对条纹幅值的优化选用。对于其它大部分可调参数的优化选用，都可以采用本发明轻松实现。

以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明基础上所做的任何修改、等同替换及拓展等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定待评价的可设定参数P，并给定所有可设定参数的初值，所述可设定参数包括条纹背景项、条纹幅值、采样数、相移步数、被测物体表面反射率、相机曝光时间；

步骤2：采用恒定相位投影技术求解得到待评价的可设定参数的解调相位误差；

步骤3：改变待评价的可设定参数值，其他可设定参数值不变，重复步骤2，得到待评价的可设定参数在不同设定值下的解调相位误差；

步骤4：根据解调相位误差统计特征得到满足测量要求或者测量效果达到最优时待评价的可设定参数的设定值，这些值便是待评价的可设定参数实际测量中可选用的值，选取满足测量要求且成本最低的待评价的可设定参数设定值作为该参数的优化选用值。

2.如权利要求1所述的相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，其特征在于，所述步骤2的具体方法为：针对待评价的可设定参数的给定值，确定其恒定相位图，然后将该恒定相位图投影到待测量表面，采集图像，计算该采集图像的解调相位，将该解调相位对应的解包裹相位与恒定相位图设定的相位相减，即得解调相位误差。

3.如权利要求2所述的相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，其特征在于，恒定相位图根据以下公式计算：

其中，a为条纹背景项，b为条纹幅值，x、y为像素坐标，φ为设定的相位值，N为相移步数，P为待评价的可设定参数。

4.如权利要求2所述的相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，其特征在于，所述解调相位根据以下公式计算：

其中，为采样图像的灰度。

5.如权利要求3或4所述的相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，其特征在于，当待评价的可设定参数为条纹背景项a，条纹幅值b，采样次数，被测物体表面反射率，或者曝光时间时，φ可以取任意值；当待评价的可设定参数为相移步数N时，φ的取值范围为保证gamma效应引起的相位误差绝对值最大时的相位值。

6.如权利要求5所述的相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，其特征在于，当待评价的可设定参数为条纹背景项a、条纹幅值b、采样次数、被测物体表面反射率或者曝光时间时，φ的优化选用值为0°。

7.如权利要求1所述的相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，其特征在于，步骤4中确定解调相位误差统计特性的方法主要包括相位误差的均方根误差及相位误差绝对值的最大值。

8.如权利要求1所述的相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，其特征在于，步骤4中确定解调相位误差统计特性的方法为：当待评价的可设定参数为条纹背景项a、条纹幅值b、采样次数、被测物体表面反射率或曝光时间时，采用解调相位误差的均方根误差，当待评价的可设定参数为相移步数时，采用相位误差绝对值最大值。