CN109945801A - 一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法。在结构光照明显微测量方法中，传统的基于时域相移算法的调制度解析方法至少需要采集3幅图像，测量费时，不适用于动态实时测量。而基于傅里叶变换分析的调制度解析算法只需要采集一帧图像，测量速度大大提高。但傅里叶变换属于全局分析方法，会带来极大的高频信息损失，不能满足复杂形貌检测。本发明提出一种空域相移算法实现对单帧图像的调制度解析，该方法效率高、高频信息损失极少，可满足复杂形貌实时检测需要。

Description

一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法

技术领域

本发明属于光学测量工程的技术领域，具体涉及本发明公开了一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法

背景技术

微纳三维形貌检测技术，能够准确获取微纳结构三维结构信息，不仅能够对微纳结构加工质量进行检测，而且能够通过获取形貌，建立结构与性能之间的直接联系，不仅是开展各项微纳技术研究的基础，也是现代检测技术的重要发展方向。

结构光照明显微测量方法由于其非接触、全视场、高精度、适用性广泛等优点而得到了广泛的应用。例如2018年，中科院光电技术研究所研究团队通过垂直扫描，提取调制度曲线峰值所在位置的方法实现了多层微纳结构的检测。2019年，中科院西安光机所团队通过使用彩色CMOS相机采集图像，实现了带有真彩色的昆虫三维形貌检测。

图像调制度解析是结构光照明显微测量的关键。现有的调制度解析算法主要有时域相移调制度解析算法，该方法能有效的保留待测物体的高频信息，解析精度高，是最常用的调制度解析方法，但该方法至少需要三幅图像才能解析出图像调制度分布，效率较低，不利于快速测量。另外一种方法为频域傅里叶变换分析方法，该算法只需要采集一帧图像，测量速度大大提高，但傅里叶变换属于全局分析方法，图像调制度的变化会导致其各级频谱展宽，通过滤除基频来计算调制度时，会导致待测物体高频信息损失严重，从而带来极大的调制度测量误差。

为了满足测量系统快速检测以及复杂形貌检测的需要，提出一种空域相移算法实现对成像光场图像的调制度解析。本方法首先完成时域相移到空域相移的变换，进一步通过对左右不同求取调制度值来减小空域相移的误差，从而实现单帧图像的调制度解析。本测量方法无需采用特殊装置来实现相移，采用一幅图即可获得图像调制度分布，测量效率大大提升，同时高频信息损失极少，可应用于快速测量。

发明内容

本发明设计了一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法，该方法可以实现高精度图像调制度解析，同时高频信息损失极少。

为了达成上述目的，本发明提供的技术方案为：一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法，所述方法包括步骤：

步骤S1：通过结构光照明显微测量系统采集一帧带有物体形貌信息的图像；

步骤S2：选择图像每行相对小的区域内某像素点右边相邻五个像素点作为时域相移中的五幅光强图，结合stoilov算法，可得到该像素点调制度值；

步骤S3：依次将步骤S2所述的相对小区域依次向右移动一个像素点，重复步骤S2可得到整场图像的调制度解调结果；

步骤S4：选择图像每行相对小的区域内某像素点左边相邻五个像素点作为时域相移中的五幅光强图，重复步骤S3可得到另一场调制度值；

步骤S5：将步骤S3与步骤S4所解析的调制度取平均，得到最终的图像调制度分布。

其中，采集图像在相对小的区间间隔内连续5个像素点的光强值依次与传统时域相移方法中5幅图像中的光强值相对应，因此空域上连续的5个像素点相当于时域相移得到的5个像素点，实现时域到空域的转换。

其中，空域相移方法将间隔区域内连续5个点看成具有相同的调制度值，误差来源于调制度幅值的跳变；为了有效减少空域相移过程中幅值跳变所带来的误差，在采用调制度公式解析采集图像调制度时，一方面在列向左的方向计算得到一幅调制度图像，另一方面在列向右的方向上计算得到另外一幅调制度图像，将两幅调制度图像取均值得到最终的调制度分布。

其中，相比时域相移算法相比，本方法仅需一帧图像即可解析调制度分布，效率较高，可应用于动态测量；相比于频域傅里叶变换，本方法能有效较小高频信息损失，可用于复杂形貌检测。

假设被测表面图像调制度在相对小的区域内是变化很小，且单幅图像在小的区域内相邻点的相位差均为常数。因此，采集图像在相对小的区间间隔内连续5个像素点的光强值依次与传统时域相移方法中5幅图像中的光强值相对应，因此空域上连续的5个像素点相当于时域相移得到的5个像素点，完成时域到空域的变换。进而通过时域相移采样公式，采用间隔区域内连续像素点光强值就可以解析出某一点的调制度值。然后把间隔区域向右移动像素点，计算下一点的调制度值，依次类推可得到整幅图像的调制度分布。

由于空域相移方法将间隔区域内连续5个点看成具有相同的调制度值，因此本算法的主要误差来源于调制度幅值的跳变。为了有效减少空域相移过程中幅值跳变所带来的误差，我们在采用调制度公式解析采集图像调制度时，一方面在列向左的方向计算得到一幅调制度图像，另一方面在列向右的方向上计算得到另外一幅调制度图像，将两幅调制度图像取均值得到最终的调制度分布。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、与传统时域相移方法相比，无需特别相移装置，只需单幅图像即可实现调制度解调，测量效率得到了极大的提升。

(2)、与频域傅里叶变换单帧图像调制度解调方法相比，本方法能有效保留待测物体的高频信息，能应用于复杂形貌检测。

(3)、本发明是在时域相移的基础实现到空域相移的转换，因此具有算法简单，适用性广泛等优点。

附图说明

图1为本发明一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法的流程图。

图2为结构光显微测量系统示意图；其中，101为第一CCD，102为Tube第一透镜，103为分光镜，104显微物镜，105待测样品，106为第二Tube透镜，107为数字微镜阵列，108为LED白光光源。

图3为时域相移到空域相移转换示意图。

图4为空域相移调制度解析示意图。

图5为模拟结构“peaks”函数光强分布。

图6为空域相移调制度解析结果。

图7为调制度解析误差分布。

图8为模拟台阶结构图像。

图9为单行空域相移、傅里叶变换调制度解调结果。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体事例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：通过结构光照明显微测量系统采集一帧带有物体形貌信息的图像。如图2所示，结构光显微测量系统包括：LED白光光源108用于为测量系统提供光源，DMD数字微镜阵列107位于第二Tube透镜106的焦面位置，用于产生光栅图像，第一CCD 101位于第一Tube透镜102的焦面位置，用于采集图像，第一Tube透镜102与第二Tube透镜106用于聚焦成像，显微物镜104用于对待测物体成像，分光镜103用于分离光束，待测样品105位于显微物镜104的焦面。

步骤S2：选择图像每行相对小的区域内某像素点右边相邻五个像素点作为时域相移中的五幅光强图，结合stoilov算法，可得到该像素点调制度值。

步骤S3：依次将步骤S2所述的相对小区域依次向右移动一个像素点，重复步骤S2可得到整场图像的调制度解调结果。

步骤S4：选择图像每行相对小的区域内某像素点左边相邻五个像素点作为时域相移中的五幅光强图，重复步骤S3可得到另一场调制度值。

步骤S5：将步骤S3与步骤S4所解析的调制度取平均，得到最终的图像调制度分布。

其中，CCD采集图像光强分布可以表示为：

I(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(2πfx) (1)

其中，a(x,y)为背景光强，b(x,y)表征了为由物体高度引起的x，y方向上的调制度分布，f为正弦光场周期。假设被测表面图像调制度在相对小的区域内是变化很小，且单幅图像在小的区域内相邻点的相位差均为常数。因此，采集图像在相对小的区间间隔内连续5个像素点的光强值依次与传统时域相移方法中5幅图像中的光强值相对应，因此空域上连续的5个像素点相当于时域相移得到的5个像素点，如图3所示。在五步Stoilov相移法中，在不同扫描位置成像光强分布可以表示为：

其中θ为相移步长，由此可推出Stoilov算法的调制度表达式：

因此通过相移采样公式，采用间隔区域内连续像素点光强值就可以解析出某一点的调制度值。然后把间隔区域向右移动像素点，计算下一点的调制度值。依次类推可得到整幅图像的调制度分布。具体实施过程中，本发明所提出的空域相移方法将间隔区域内连续5个点看成具有相同的调制度值，因此本算法的主要误差来源于调制度幅值的跳变。为了有效减少空域相移过程中幅值跳变所带来的误差，我们在采用调制度公式解析采集图像调制度时，一方面在列向左的方向计算得到一幅调制度图像，另一方面在列向右的方向上计算得到另外一幅调制度图像，将两幅调制度图像取均值得到最终的调制度分布，如图4所示。

以函数“peaks”模拟待测物体形貌，证明所提出的空域相移算法的有效性。探测器采集编码图像光强分布如图5所示，图6为所提出的空域相移算法所解析的图像调制度分布。通过将空域相移解析的调制度分布与理想调制度分布相减得到调制度解析误差误差分布，如图7所示。调制度解析最大相对误差在0.4％以内，可满足高精度单幅图像调制度解析需要。

另外，所提出的空域相移方法与传统的频域傅里叶变换相比，可有效减少高频信息损失，从而满足复杂形貌检测需要。下面以台阶结构为例，图8为台阶结构空间光强分布，分别采用频域傅里叶变换与空域相移对其进行调制度解调。取图中任意一行调制度解调结果如图8所示，传统傅里叶变换算法在台阶突变处，有较大的调制度解析误差，高频信息损失严重，不能用于复杂形貌检测。而空域相移算法解析结果与理想调制度分布极为接近，高频信息损失极小，可适用于复杂形貌检测。

综上所述，本发明所提出空域相移方法相对于传统时域相移技术，只需单幅图像即可实现高精度图像调制度解析，进一步结合系统线性响应函数，可实现动态实时检测。此外，空域相移调制度解调方法与频域傅里叶变换方法相比，高频信息损失极小，因此可应用于复杂多变的环境中检测。当然，在本例中，进一步减少成像过程中的噪声将有效的提高调制度解析精度。

Claims (4)

1.一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法，其特征是：所述方法包括步骤：

步骤S1：通过结构光照明显微测量系统采集一帧带有物体形貌信息的图像；

步骤S2：选择图像每行相对小的区域内某像素点右边相邻五个像素点作为时域相移中的五幅光强图，结合stoilov算法，可得到该像素点调制度值；

步骤S3：依次将步骤S2所述的相对小区域依次向右移动一个像素点，重复步骤S2可得到整场图像的调制度解调结果；

步骤S4：选择图像每行相对小的区域内某像素点左边相邻五个像素点作为时域相移中的五幅光强图，重复步骤S3可得到另一场调制度值；

步骤S5：将步骤S3与步骤S4所解析的调制度取平均，得到最终的图像调制度分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法，其特征是：采集图像在相对小的区间间隔内连续5个像素点的光强值依次与传统时域相移方法中5幅图像中的光强值相对应，因此空域上连续的5个像素点相当于时域相移得到的5个像素点，实现时域到空域的转换。

3.根据权利要求1所述一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法，其特征是：空域相移方法将间隔区域内连续5个点看成具有相同的调制度值，误差来源于调制度幅值的跳变；为了有效减少空域相移过程中幅值跳变所带来的误差，在采用调制度公式解析采集图像调制度时，一方面在列向左的方向计算得到一幅调制度图像，另一方面在列向右的方向上计算得到另外一幅调制度图像，将两幅调制度图像取均值得到最终的调制度分布。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于空域相移单帧图像调制度解调方法，其特征是：相比时域相移算法相比，本方法仅需一帧图像即可解析调制度分布，效率较高，可应用于动态测量；相比于频域傅里叶变换，本方法能有效较小高频信息损失，可用于复杂形貌检测。