CN109506590B - 一种边界跃变相位误差快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构光三维测量技术领域，具体为一种边界跃变相位误差快速定位方法，包括如下步骤：S1、采用不同频率正弦条纹图进行投影测量，其中频率指单幅条纹图中条纹数目，各频率之间满足一定关系，确保通过计算最终能获得单频相位图；S2、通过相位展开技术获取各频率展开相位图，其中包含单频相位图；S3、利用各个频率展开相位，计算时间相位梯度；S4、评估时间相位梯度与单周期相位的残差，对残差进行阈值化处理，定位跃变区域相位误差。本发明提供了一种简单便捷适用性更广的边界跃变相位误差快速定位方法。

Description

一种边界跃变相位误差快速定位方法

技术领域

本发明涉及结构光三维测量技术领域，具体为一种边界跃变相位误差快速定位方法。

背景技术

结构光3D面型检测技术，因其具有快速，非接触，高精度等优点，被认为最具前景的光学三维面形测量技术之一，该技术利用投影设备将条纹投影到待测物体表面，被测物体形貌的变化导致条纹发生扭曲，形变，对这种条纹形变进行分析来获取高度信息。在对不连续区域进行测量时，常常采用多频条纹投影，利用时间相位展开算法有效避免错误相位的传播，然而错误相位依然存在与相位图中。不连续区域的高度跃变往往容易造成较大相位误差，高度跃变区域相位误差主要源于跃变边缘被相机单个像元积分曝光，导致条纹图在边缘区域出现失真，无法准确反映相位影响。为了便于后期对3D数据进一步处理，如相位误差评估、相位修复、3D数据处理等工作，所有对跃变相位误差区域的定位显得非常必要。

传统方法利用多频展开相位对每个像素点在时间序列上进行线性拟合，通过比较拟合曲线的标准差是否超过阈值，判断该点是否为跃变边缘相位误差点，由于线性拟合方法往往需要多组数据，也需要多组不同频率条纹，即便是所需改进后的逆指数时间相位展开方法一般投影条纹也不会少于6种频率。但在实际测量中，为提高测量速度，往往只采用双频或三频投影，因此单个像素上进行线性拟合的数据点仅仅2个或3个，此时就失去了拟合的意义，因此传统跃变相位误差定位方法在实际使用中受到限制；为此，我们提出一种边界跃变相位误差快速定位方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种边界跃变相位误差快速定位方法，以解决上述背景技术中提出的现有结构光测量系统中对物体形貌跃变边界相位误差定位方法的不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种边界跃变相位误差快速定位方法，包括如下步骤：

S1、采用不同频率正弦条纹图进行投影测量，其中频率指单幅条纹图中条纹数目，各频率之间满足一定关系，确保通过计算最终能获得单频相位图；

S11、利用计算机编码生成空间频率为f₁、f₂、f₃...f_n-1、f_n的正弦条纹图，n为大于1的整数，各频率选取需确保通过计算最终能获得单频相位图；

S2、通过相位展开技术获取各频率展开相位图，其中包含单频相位图；

S21、将编码生成的频率为f₁、f₂、f₃...f_n-1、f_n的正弦条纹图投影至待测物体表面；

S22、利用相机捕获不同频率变形条纹图；

S23、利用时间相位展开技术获得各频率展开相位为：

并通过计算得到单频相位为

S3、利用各个频率展开相位，计算时间相位梯度；

S31、利用展开相位

计算时间相位梯度

具体计算方式如下所示：

S4、评估时间相位梯度与单周期相位的残差，对残差进行阈值化处理，定位跃变区域相位误差；

S41、取

为频率f_t的条纹在(x,y)位置的展开相位，

为单频相位在(x,y)位置的相位值，则在理想情况下有如下关系：

而实际测量过程中，在高度跃变区域由于条纹遮挡以及相机像元的积分曝光过程，使得跃变边界条纹信息失真，导致边界区域相位值存在较大误差，且条纹信息的失真程度与投影条纹频率相关，不同频率条纹失真情况不同。单频条纹由于条纹灰度变化平缓，相位值动态范围小，因此跃变误差影响极小。由于跃变误差与频率相关，取频率为f_t的相位图在(x,y)位置的跃变误差为D_t(x,y)，增加具体相位解调过程相位偏移量S_t，该偏移量与为整体偏移，与像素位置(x,y)无关，进一步式(2)可变为如下：

将式(3)代入式(1)有：

如式(4)所示，其中

E_t(x,y)项与跃变区域所造成的相位误差相关，M_t与整体偏移量相关与位置(x,y)无关；

S42、利用式(1)计算获得的时间相位梯度与单频相位做差可得到，残差项：

其中偏移量M_t为常数，考虑跃变区域相对于整个测量区域而言，为小范围区域，M_t可视R_t(x,y)的均值，

因此，根据式(1)、(5)可以得到跃变区域误差相关项E_t(x,y)的表达式：

S43、式(6)给出了跃变区域误差相关项E_t(x,y)的表达式，E_t(x,y)与频率f_t+1和f_t相关，当投影频率为f₁、f₂、f₃...f_n-1、f_n，n种频率时，为更加合理的利用所有频率，对所有E_t(x,y)求均值得到E(x,y)如下所示：

式(7)中，abs{*}为求绝对值函数，对所得跃变区域误差相关项E(x,y)设置阈值T，当E(x,y)在(μ-T,μ+T)之外时，则判定为跃变相位误差区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种简单便捷适用性更广的边界跃变相位误差快速定位方法；在对跃变区域相位误差进行定位时，无需进行复杂的线性拟合，仅仅需要计算不同频率时间方向的相位梯度并与单频率相位进行比较即可。该发明计算过程简单，没有复杂的拟合算法仅仅涉及矩阵间的加、减法；对数据要求量少，当投影频率数为2时，通过优化误差判定阈值，同样能够实现跃变区域相位误差定位效果。

附图说明

图1为本发明原理流程框图；

图2为本发明实施例中H(x，y)仿真面型的三维图和俯视图；

图3为本发明实施例中I₁、I₂、I₃三种不同频率条纹经过相同高度调整后的条纹图；

图4为本发明实施例中

对应展开相位；

图5为本发明实施例中R₁(x,y)、R₂(x,y)对应相位梯度残差图；

图6为本发明实施例中E(x,y)跃变相位误差定位区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：

一种边界跃变相位误差快速定位方法，包括如下步骤：

S1、采用不同频率正弦条纹图进行投影测量，其中频率指单幅条纹图中条纹数目，各频率之间满足一定关系，确保通过计算最终能获得单频相位图；

S11、利用计算机编码生成空间频率为f₁、f₂、f₃...f_n-1、f_n的正弦条纹图，n为大于1的整数，各频率选取需确保通过计算最终能获得单频相位图；

S2、通过相位展开技术获取各频率展开相位图，其中包含单频相位图；

S21、将编码生成的频率为f₁、f₂、f₃...f_n-1、f_n的正弦条纹图投影至待测物体表面；

S22、利用相机捕获不同频率变形条纹图；

S23、利用时间相位展开技术获得各频率展开相位为：

并通过计算得到单频相位为

S3、利用各个频率展开相位，计算时间相位梯度；

S31、利用展开相位

计算时间相位梯度

具体计算方式如下所示：

S4、评估时间相位梯度与单周期相位的残差，对残差进行阈值化处理，定位跃变区域相位误差；

S41、取

为频率f_t的条纹在(x,y)位置的展开相位，

为单频相位在(x,y)位置的相位值，则在理想情况下有如下关系：

而实际测量过程中，在高度跃变区域由于条纹遮挡以及相机像元的积分曝光过程，使得跃变边界条纹信息失真，导致边界区域相位值存在较大误差，且条纹信息的失真程度与投影条纹频率相关，不同频率条纹失真情况不同。单频条纹由于条纹灰度变化平缓，相位值动态范围小，因此跃变误差影响极小。由于跃变误差与频率相关，取频率为f_t的相位图在(x,y)位置的跃变误差为D_t(x,y)，增加具体相位解调过程相位偏移量S_t，该偏移量与为整体偏移，与像素位置(x,y)无关，进一步式(2)可变为如下：

将式(3)代入式(1)有：

如式(4)所示，其中

E_t(x,y)项与跃变区域所造成的相位误差相关，M_t与整体偏移量相关与位置(x,y)无关；

S42、利用式(1)计算获得的时间相位梯度与单频相位做差可得到，残差项：

其中偏移量M_t为常数，考虑跃变区域相对于整个测量区域而言，为小范围区域，M_t可视R_t(x,y)的均值，

因此，根据式(1)、(5)可以得到跃变区域误差相关项E_t(x,y)的表达式：

S43、式(6)给出了跃变区域误差相关项E_t(x,y)的表达式，E_t(x,y)与频率f_t+1和f_t相关，当投影频率为f₁、f₂、f₃...f_n-1、f_n，n种频率时，为更加合理的利用所有频率，对所有E_t(x,y)求均值得到E(x,y)如下所示：

式(7)中，abs{*}为求绝对值函数，对所得跃变区域误差相关项E(x,y)设置阈值T，当E(x,y)在(μ-T,μ+T)之外时，则判定为跃变相位误差区域。

实施例

如图2-6，如上的边界跃变相位误差快速定位方法的一种实施例：

一、如图2所示，计算机仿真生成最高高度为10cm的斜面体H，左图为仿真面型3D图，右图为仿真面型俯视图；

二、计算机仿真，采用三步相移法计算机生成空间频率为f₁、f₂、f₃的条纹图，其中f₁＝29、f₂＝34、f₃＝40。将仿真体H对条纹图进行调制后获得变形条纹图，如图3所示，I₁、I₂、I₃分别为f₁、f₂、f₃对于的变形条纹图。为仿真实际相机拍摄过程的曝光积分效果，对I₁、I₂、I₃进行窗口为3*3大小的高斯滤波。另外考虑随机噪声，在动态范围为0～255的变形条纹图上加标准差为1的高斯噪声；

三、利用外差法和多步相移技术解调变形条纹图，获得各个频率展开相位

以及单频相位

如图4所示；

四、利用

以及单频相位

结合公式(6)，计算E₁(x,y)、E₂(x,y)如图5所示；

五、利用E₁(x,y)、E₂(x,y)，结合公式(7)，求得E(x,y)，计算E(x,y)的均方根δ，取阈值T＝3*δ，得到阈值处理后的E(x,y)，即为跃变边界相位误差区域，如图6所示，白色区域为跃变边界相位误差区域。

本发明提供了一种简单便捷适用性更广的边界跃变相位误差快速定位方法；在对跃变区域相位误差进行定位时，无需进行复杂的线性拟合，仅仅需要计算不同频率时间方向的相位梯度并与单频率相位进行比较即可。该发明计算过程简单，没有复杂的最小二乘拟合算法，仅仅涉及矩阵间的加、减法；也无需额外采集数据，对数据要求量少，适用大部分时间相位展开条纹投影测量技术。当投影频率数为2时，通过优化误差判定阈值，同样能够实现跃变区域相位误差定位效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种边界跃变相位误差快速定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用不同频率正弦条纹图进行投影测量，其中频率指单幅条纹图中条纹数目，各频率之间满足一定关系，确保通过计算最终能获得单频相位图；

S11、利用计算机编码生成空间频率为f₁、f₂、f₃...f_n-1、f_n的正弦条纹图，n为大于1的整数，各频率选取需确保通过计算最终能获得单频相位图；

S2、通过相位展开技术获取各频率展开相位图，其中包含单频相位图；

S21、将编码生成的频率为f₁、f₂、f₃...f_n-1、f_n的正弦条纹图投影至待测物体表面；

S22、利用相机捕获不同频率变形条纹图；

S23、利用时间相位展开技术获得各频率展开相位为：

并通过计算得到单频相位为

S3、利用各个频率展开相位，计算时间相位梯度；

S31、利用展开相位

计算时间相位梯度

具体计算方式如下所示：

S4、评估时间相位梯度与单周期相位的残差，对残差进行阈值化处理，定位跃变区域相位误差；

S41、取

为频率f_t的条纹在(x,y)位置的展开相位，

为单频相位在(x,y)位置的相位值，则在理想情况下有如下关系：

而实际测量过程中，在高度跃变区域由于条纹遮挡以及相机像元的积分曝光过程，使得跃变边界条纹信息失真，导致边界区域相位值存在较大误差，且条纹信息的失真程度与投影条纹频率相关，不同频率条纹失真情况不同，单频条纹由于条纹灰度变化平缓，相位值动态范围小，因此跃变误差影响极小，由于跃变误差与频率相关，取频率为f_t的相位图在(x,y)位置的跃变误差为D_t(x,y)，增加具体相位解调过程相位偏移量S_t，该偏移量与为整体偏移，与像素位置(x,y)无关，进一步式(2)可变为如下：

将式(3)代入式(1)有：

如式(4)所示，其中

E_t(x,y)项与跃变区域所造成的相位误差相关，M_t与整体偏移量相关与位置(x,y)无关；

S42、利用式(1)计算获得的时间相位梯度与单频相位做差可得到，残差项：

其中偏移量M_t为常数，考虑跃变区域相对于整个测量区域而言，为小范围区域，M_t可视R_t(x,y)的均值，

因此，根据式(1)、(5)可以得到跃变区域误差相关项E_t(x,y)的表达式：

S43、式(6)给出了跃变区域误差相关项E_t(x,y)的表达式，E_t(x,y)与频率f_t+1和f_t相关，当投影频率为f₁、f₂、f₃...f_n-1、f_n，n种频率时，为更加合理的利用所有频率，对所有E_t(x,y)求均值得到E(x,y)如下所示：

式(7)中，abs{*}为求绝对值函数，对所得跃变区域误差相关项E(x,y)设置阈值T，当E(x,y)在(μ-T,μ+T)之外时，则判定为跃变相位误差区域。

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