CN108759719A - 互质双频相位展开方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维重建技术领域，具体涉及本发明实施例提供的一种互质双频相位展开方法及装置，该方法包括分别采集第一投影图案和第二投影图案，该第一投影图案的频率为预定频率，第二投影图案的频率为参考频率。进而，计算第一投影图案的相位为包裹相位，计算第二投影图案的相位为参考相位，根据所述包裹相位和参考相位按照预设规则确定预定参数，并根据预定参数将所述包裹相位展开得到绝对相位。由此可见，本发明实施例提供了一种更加简单的相位展开的方法，其实用性更高。

Description

互质双频相位展开方法及装置

技术领域

本发明涉及三维重建技术领域，具体而言，涉及一种互质双频相位展开方法及装置。

背景技术

相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry,PMP)是结构光三维测量技术的一种，因其高精度，易控制，高速度的优点，现已广泛应用于机器视觉、特征识别、三维传感、模具成型、机械工程等领域。相位展开作为相位测量轮廓术重要的一步，旨在解决相位含混的问题并通过对频率进行归一化的手段，达到减小误差的目的，相位展开的各种方法一直是相位测量轮廓术领域的热点研究方向。时间相位展开法具有简单、易于测量表面不连续的物体、适用于实时相位展开等优点。传统的时间相位展开法需要用到包括单位频率在内的多组频率的相位，从单位频率开始一层一层的往高频展开，并将最高频率的绝对相位用于三维重建。多频相位展开虽然可靠性较高，但也因为其需要的条纹图案较多，造成图像采时间过长。DingYi等在期刊Optical Letters发表的论文《Recovering the absolutephase maps of two fringe patterns with selected frequencies》中提出了一种双频相位展开的方法，虽然该方法在频率选择上有很大的灵活性，并且当查找表建立之后，相位展开的过程简单快速，但该方法需事先手动建立所选择频率下所有阶数与相位差对应的查找表，使得整个过程变得复杂。

发明内容

本发明是一种针对任意编码图案的结构光三维成像相位展开问题，提出的一种新的自动型互质双频相位展开方法及装置。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种互质双频相位展开法，所述方法包括：分别采集第一投影图案和第二投影图案，所述第一投影图案的频率为预定频率，所述第二投影图案的频率为参考频率；计算所述第一投影图案的相位为包裹相位，计算所述第二投影图案的相位为参考相位；按照预设规则根据所述包裹相位和参考相位确定预定参数；根据所述预定参数将所述包裹相位展开得到绝对相位。

第二方面，本发明实施例还提供了一种互质双频相位展开装置，所述装置包括：采集模块，用于采集第一投影图案和第二投影图案，所述第一投影图案的频率为预定频率，所述第二投影图案的频率为参考频率；计算模块，用于计算所述第一投影图案的相位为包裹相位，计算所述第二投影图案的相位为参考相位；查找模块，用于按照预设规则根据所述包裹相位和参考相位确定预定参数；展开模块，用于根据所述预定参数将所述包裹相位展开得到绝对相位。

本发明实施例提供的一种互质双频相位展开方法及装置，该方法包括分别采集第一投影图案和第二投影图案，该第一投影图案的频率为预定频率，第二投影图案的频率为参考频率。进而，计算第一投影图案的相位为包裹相位，计算第二投影图案的相位为参考相位，根据所述包裹相位和参考相位在预设的查找表中查找预定参数或直接解析出预定参数，并根据预定参数将所述包裹相位展开得到绝对相位。由此可见，本发明实施例提供了一种更加简单的相位展开的方法，其实用性更高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的包裹相位和绝对相位的示意图。

图2示出了本发明实施例提供的一种互质双频相位展开方法的流程示意图。

图3示出了本发明实施例提供的一种互质双频相位展开装置的功能模块示意图。

图示：100-互质双频相位展开装置；110-采集模块；120-计算模块；130-查找模块；140-展开模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在实际使用时，使用投影机投影被测物体。该投影图案可以表示为：

其中，是投影图案在投影机坐标(x^p,y^p)处的亮度，A^p和B^p是两个常量，并且A^p≥B^p，整数f是投影图案的空间频率，H是投影机空间分辨率的高度，n是相移系数，N(≥3)是相移步数，即频率为f的投影图案总数。

当投影图案投影到被测物体后，投影图案将发生一定程度的变形，设置于投影机一旁的相机将立即捕获发生变形的投影图案，并且可以表示为：

其中，A^c和B^c分别是在相机坐标(x^c,y^c)处的直流分量和亮度调制，n是相移系数，N是相移步数，是投影图案在相机处的亮度，φ是相位。

需要强调的是，在三维重建中，相位φ是一个最重要的变量，该相位的计算方式为：

由于该相位φ被限制在[0,2π]范围之间，则可能导致相位发生含混，因此，需对计算得到的包裹相位φ进行展开。该包裹相位的包裹阶数分别为k＝0,1，….，f-1，则若能确定包裹相位的包裹阶数，则可得到该包裹相位展开后的绝对相位。该绝对相位的计算公式为：

其中，Φ即表征绝对相位。请参照图1，是本发明实施例提供的一种包裹相位和绝对相位的示意图，亦即是说，若包裹阶数确定后，即可较为容易地将包裹相位展开为绝对相位。

该包裹阶数可通过查找预设的查找表的方式进行获得，该预设的查找表的建立方式为：定义采集的第一投影图案的频率为预定频率f，定义采集的第二投影图案的频率为参考频率f^r，需要说明的是，该预定频率和参考频率互质，进而根据该预定频率和参考频率按照预定规则自动建立查找表，该预定规则为：

LUT[(kf^r)mod f]＝k

其中，k＝0,1,…,f-1。如当f＝8且f^r＝5时，可根据上述的预定规则建立查找表为：

(kfr)mod f	0	1	2	3	4	5	6	7
									k	0	5	2	7	4	1	6	3

进而在对包裹相位展开成绝对相位时，可直接通过查表的方式获得包裹阶数，以方便进行相位的展开。具体为：

请参照图2，是本发明实施例提供的一种互质双频相位展开方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S110，分别采集第一投影图案和第二投影图案，所述第一投影图案的频率为预定频率，所述第二投影图案的频率为参考频率。

该第一投影图案的频率为预定频率，记为f，该第二投影图案的频率为参考频率，记为f^r。在本发明实施例中，以f＝8且f^r＝5进行举例说明。

步骤S120，计算所述第一投影图案的相位为包裹相位，计算所述第二投影图案的相位为参考相位。

具体为，请参照图1是本发明实施例提供的一种f＝8且f^r＝5的包裹相位的示意图，其中虚线表征的是f^r＝5参考相位的示意图，实线表征的是f＝8的包裹相位的示意图。进而根据上述的相位计算公式，分别计算出包裹相位和参考相位。根据坐标关系，包裹相位也可以表示为：

由此可知，该用于表征包裹相位的实线的斜率为2πf/L，其参考相位的计算方式为：

其中，x是整数，范围为x∈[0,L-1]并且t＝x/L。

为了便于计算，重新调节包裹相位和参考相位的尺度，其调节方式为：

步骤S130，根据所述包裹相位和参考相位在预设的查找表中查找预定参数。

首先，计算包裹相位和参考相位的差值，该计算结果为：

由于得到的Δ(x)是[-f^r+1,f-1]范围内的整数，该Δ(x)在每个[kL/f,(k+1)L/f](k＝0,1,…,f-1)间隔内，均有一个或两个值。为了保证每个间隔只对应一个值，可通过算法：

对Δ(x)进行统一。

进而将统一后的Δ(x)的公式与预定参数的公式LUT[(kf^r)mod f]＝k联立求解，得到由于之前已经建立了f＝8且f^r＝5的查找表，则可直接根据Δ(x)的值在查找表中查找包裹阶数k。

步骤S140，根据所述预定参数将所述包裹相位展开得到绝对相位。

具体为，根据在查找表中查找到的预定参数k，根据绝对相位的计算公式：

将包裹相位进行展开。

需要说明的是，该包裹阶数还可以通过递归的方式进行确定，具体步骤为，

(1)设立递归停止条件f^r＝1；

(2)利用公式计算得到

(3)将f替换为f^r，f^r替换为f-fmodf^r，记为f′和f^r′，计算新的记为

(4)判断是否满足停止条件f^r′＝1，如不满足，重复步骤(2)到(3)；如满足则在归来过程中，按照之前的递归次数，分别计算每次的最后一次归来时得到包裹阶数k。

由此可见，在本发明实施例提供的方案中，可设置另一投影图案的频率为参考频率，通过本投影图案的预定频率和另一投影图案的参考频率建立查找表。同时，定义本投影图案计算得到的相位为包裹相位，定义另一投影图案计算得到的相位为参考相位，在计算本投影图案的绝对相位时，即可根据包裹相位与参考相位的差值在查找表中查找对应的包裹阶数，进而将该包裹相位展开成绝对相位，其相位展开更加方便。且当再一次进行相位展开时，如果参考频率和预定频率均未发生变化，则只需要再次计算包裹相位和参考相位之间的差值即可，如果参考频率和预定频率发生变化，则需再根据参考频率和预定频率重新建立一次查找表。

需要强调的是，本发明适用于任意互质的两个频率，但是因为噪声等影响，f和参考频率f^r＝f-1是最优的频率组合，拥有解相位最高的成功率；上述的方法也同样适用于将f与f^r互换的情况，即两个包裹相位可以用于互相解其对应的包裹阶数，完成相位展开。但高频相位对压缩噪声、非线性等误差更为有效，所以一般更倾向于使用高频相位来重建三维点云。总的来说，本方法是一种自动的互质互质双频相位展开法，适用于任意互质双频，对于参考频率为单位频率以及双频不互质的两种特例，利用本发明也可以得到绝对相位。参考频率为单位频率1时，利用该方法进行相位展开则与传统的相位展开一致。双频不互质时，利用该方法解出的相位仍然存在最大公约数的包裹阶数，无法一次成功的得到绝对相位，需要两次或多次的解相位过程。

请参照图3，是本发明实施例提供的一种互质双频相位展开装置100的功能模块示意图，该装置包括采集模块110、计算模块120、查找模块130以及展开模块140。

采集模块110，用于采集第一投影图案和第二投影图案，所述第一投影图案的频率为预定频率，所述第二投影图案的频率为参考频率。

在本发明实施例中，步骤S110可以由采集模块110执行。

计算模块120，用于计算所述第一投影图案的相位为包裹相位，计算所述第二投影图案的相位为参考相位。

在本发明实施例中，步骤S120可以由计算模块120执行。

查找模块130，用于根据所述包裹相位和参考相位在预设的查找表中查找预定参数。

在本发明实施例中，步骤S130可以由查找模块130执行。

展开模块140，用于根据所述预定参数将所述包裹相位展开得到绝对相位。

在本发明实施例中，步骤S140可以由展开模块140执行。

由于在互质双频相位展开方法部分已经详细描述，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供的一种互质双频相位展开方法及装置，该方法包括分别采集第一投影图案和第二投影图案，该第一投影图案的频率为预定频率，第二投影图案的频率为参考频率。进而，计算第一投影图案的相位为包裹相位，计算第二投影图案的相位为参考相位，根据所述包裹相位和参考相位在预设的查找表中查找预定参数，并根据预定参数将所述包裹相位展开得到绝对相位。由此可见，本发明实施例提供了一种更加简单的相位展开的方法，其实用性更高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种互质双频相位展开方法，其特征在于，所述方法包括：

分别采集第一投影图案和第二投影图案，所述第一投影图案的频率为预定频率，所述第二投影图案的频率为参考频率；

计算所述第一投影图案的相位为包裹相位，计算所述第二投影图案的相位为参考相位；

按照预设规则根据所述包裹相位和参考相位确定预定参数；

根据所述预定参数将所述包裹相位展开得到绝对相位。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包裹相位和参考相位的计算方法为：

其中，φ表征相位，n是相移系数，N是相移步数，为第一投影图案或第二投影图案发生形变后的亮度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述第一投影图案的相位为包裹相位，计算所述第二投影图案的相位为参考相位之后还包括步骤：

调节所述包裹相位和参考相位的尺度一致；

计算调节后的所述包裹相位和参考相位之间的相位差值；

对所述相位差值进行统一调整，调整后的相位差值为：

其中，为调整后的相位差值，k为未知的预定参数，f为预定频率，f^r为参考频率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述按照预设规则根据所述包裹相位和参考相位确定预定参数的步骤包括：

根据所述相位差值在预设的查找表中查找出预定参数或解析直接求解预定参数，所述预设的查找表采用公式自动生成，其中，其中，为调整后的相位差值，k为未知的预定参数，f为预定频率，f^r为参考频率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考频率比所述预定频率小1。

6.一种互质双频相位展开装置，其特征在于，所述装置包括：

采集模块，用于采集第一投影图案和第二投影图案，所述第一投影图案的频率为预定频率，所述第二投影图案的频率为参考频率；

计算模块，用于计算所述第一投影图案的相位为包裹相位，计算所述第二投影图案的相位为参考相位；

查找模块，用于按照预设规则根据所述包裹相位和参考相位确定预定参数；

展开模块，用于根据所述预定参数将所述包裹相位展开得到绝对相位。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述包裹相位和参考相位的计算方法为：

其中，φ表征相位，n是相移系数，N是相移步数，为第一投影图案或第二投影图案发生形变后的亮度。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块还用于：

调节所述包裹相位和参考相位的尺度一致；

计算调节后的所述包裹相位和参考相位之间的相位差值；

对所述相位差值进行统一调整，调整后的相位差值为：

其中，为调整后的相位差值，k为未知的预定参数，f为预定频率，f^r为参考频率。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述查找模块具体用于：

根据所述相位差值在预设的查找表中查找出预定参数或解析直接求解预定参数，所述预设的查找表采用公式自动生成，其中，其中，为调整后的相位差值，k为未知的预定参数，f为预定频率，f^r为参考频率。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述参考频率比所述预定频率小1。