CN109974624B - 一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法 - Google Patents

一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，当N为偶数时，利用相同频率下的第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像相位互补、互相代替的原理，将采样次数从m*N+1次降低到m*N/2+1次，减少了投影图像数量，缩短了测量过程时间；整个方法一方面可以减少所需投影数量，进而缩短投影时间；另一方面提高了测量平台及光学系统的安装精度，为用更少的图像就能获得更高的测量精度提供了可能性。

Description

一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法
技术领域
本发明涉及三维光学测量领域，尤其涉及一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法。
背景技术
随着自动控制技术的发展，在航空航天、武器装备、汽车制造等越来越多的领域三维测量已经有了广泛的应用。然而在锻造行业中的一些核心零部件，它们通常结构复杂、曲面形状不规则、精度要求高，所以大多仍然采用人工的卡尺和模板进行检测。随着面阵CCD相机和数字投影技术的发展，相位测量轮廓术(PMP)和相移干涉法(PSI)在相互交融借鉴中得到了较快的发展并取得了越来越广泛的应用。PMP具有以下三个特点：
(1)每个点的相位值只与该点的光强(灰度)有关，稳定性强；
(2)一次可以测量出视场内物体表面的完整三维测量数据，测量效率高；
(3)使用相移方法可以得到每个像素点的相位值，测量分辨率高。
但是，PMP需要测量多个点，由于测量的点数多，需要处理的数据也多，进而测量时间增加，效率下降。系统的扫描速率受制于数字微镜设备的跳动频率和CCD相机的曝光频率。这样的条件下，加快测量过程的可行方法就是减少投影图像的数量。因此，本发明提供一种基于多频相移的减少投影图像数量以缩短测量过程时间的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于多频相移的减少投影图像数量以缩短测量过程时间的方法。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，包括以下步骤：
S101、将一系列相位相同的标准正弦条纹图像投影到目标表面上，在物体表面形成变形光栅，两个相机同时捕捉变形光栅的图像信息，建立变形光栅图像的光强分布函数Iji(x,y)；
S102、使用m频N步相移法获得N幅变形光栅图像，求解N幅变形光栅图像的光强分布函数，得出相对相位值
Figure BDA0002004013900000021
S103、当N为偶数时，相同频率下的第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像相位互补，互相代替，获取m*N/2+1次变形光栅图像，进行相位展开，根据相位展开后的相位图，使用双目立体视觉原理完成目标体的点云重构。
在以上技术方案的基础上，S101中变形光栅图像的光强分布函数为：
Figure BDA0002004013900000022
其中，(x,y)表示像素坐标，Iji(x,y)为第j个频率下第i幅变形光栅图像的灰度，A(x,y)是平均灰度，B(x,y)是灰度调制，δji是图像的相位移，
Figure BDA0002004013900000023
是待计算的相对相位值。
更进一步优选的，S102中m频N步相移法求解相对相位值
Figure BDA0002004013900000024
的方法为：将光栅在栅线上垂直方向上平移栅距的1/N，式(1)中相位移动2π/N，再等距平移N-1次，获得N幅变形光栅图像，求解N幅变形光栅图像的光强分布函数，获得相对相位值
Figure BDA0002004013900000031
更进一步优选的，S102中第i幅变形光栅图像的光强分布函数为
Figure BDA0002004013900000032
更进一步优选的，S102中采用三频四步相移方法求解
Figure BDA0002004013900000033
当N＝4时，获得各步的光强分布函数为：
Figure BDA0002004013900000034
Figure BDA0002004013900000035
Figure BDA0002004013900000036
Figure BDA0002004013900000037
联立式(2)至式(5)，得
Figure BDA0002004013900000038
更进一步优选的，S103中第N幅变形光栅图像的相位移为δji＝2πi/N，N幅变形光栅图像的总灰度为
Figure BDA0002004013900000039
更进一步优选的，S103中当N为偶数时，第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像的灰度之和为：Iji+Ij(i+N/2)＝2A(x,y)。
本发明的一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)当N为偶数时，利用相同频率下的第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像相位互补、互相代替的原理，将采样次数从m*N+1次降低到m*N/2+1次，减少了投影图像数量，缩短了测量过程时间；
(2)整个方法一方面可以减少所需投影数量，进而缩短投影时间；另一方面提高了测量平台及光学系统的安装精度，为用更少的图像就能获得更高的测量精度提供了可能性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法的流程图；
图2为本发明一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法中实施一的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一、
如图1和图2所示，本发明的一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，包括以下步骤：
S101、将一系列相位相同的标准正弦条纹图像投影到目标表面上，在物体表面形成变形光栅，两个相机同时捕捉变形光栅的图像信息，建立变形光栅图像的光强分布函数：
Figure BDA0002004013900000051
其中，(x,y)表示像素坐标，Iji(x,y)为第j个频率下第i幅变形光栅图像的灰度，A(x,y)是平均灰度，B(x,y)是灰度调制，δji是图像的相位移，
Figure BDA0002004013900000052
是待计算的相对相位值；
S102、使用m频N步相移法求解
Figure BDA0002004013900000053
即将光栅在栅线上垂直方向上平移栅距的1/N，式(1)中相位移动2π/N，再等距平移N-1次，获得N幅变形光栅图像，第i幅变形光栅图像的光强分布函数为
Figure BDA0002004013900000054
求解N幅变形光栅图像的光强分布函数，获得相对相位值
Figure BDA0002004013900000055
S103、第N幅变形光栅图像的相位移为δji＝2πi/N，N幅变形光栅图像的总灰度为
Figure BDA0002004013900000056
当N为偶数时，第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像的灰度之和为：Iji+Ij(i+N/2)＝2A(x,y)，因此相同频率下的第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像相位互补，互相代替，获取m*N/2+1次变形光栅图像，进行相位展开，根据相位展开后的相位图，使用双目立体视觉原理完成目标体的点云重构。
在本实施例中，平均灰度A(x,y)为常数，由于每个变形光栅图像的灰度都近似为平均灰度并不影响测量的精度，因而得出N幅变形光栅图像的总灰度为
Figure BDA0002004013900000057
当N为偶数时，第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像的灰度之和为：Iji+Ij(i+N/2)＝2A(x,y)，因此相同频率下的第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像相位互补，互相代替，利用上述原理，在N为偶数时，取样次数从m*N+1次降低到m*N/2+1次，减少了投影图像数量，缩短了测量过程时间。
实施例二、
在实施例一的基础上，本实施例采用三频四步相移方法求解
Figure BDA0002004013900000066
当N＝4时，获得各步的光强分布函数为：
Figure BDA0002004013900000061
Figure BDA0002004013900000062
Figure BDA0002004013900000063
Figure BDA0002004013900000064
联立式(2)至式(5)，得
Figure BDA0002004013900000065
其中I1(x,y)、I1(x,y)、I1(x,y)和I1(x,y)分别表示4幅变形光栅图像的灰度。若利用传统的方法，即采样m*N+1次，则需要采样13次，其中有一次为简单光源的参考变形光栅图像；而利用本实施例的方法，只需采样8次，其中有一次为简单光源的参考变形光栅图像，在不影响测量精度的前提下，本实施例取样过程所需的时间降低了38.5％。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (7)

1.一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S101、将一系列相位相同的标准正弦条纹图像投影到目标表面上，在物体表面形成变形光栅，两个相机同时捕捉变形光栅的图像信息，建立变形光栅图像的光强分布函数Iji(x,y)；
S102、使用m频N步相移法获得N幅变形光栅图像，求解N幅变形光栅图像的光强分布函数，得出相对相位值
Figure FDA0002004013890000011
S103、当N为偶数时，相同频率下的第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像相位互补，互相代替，获取m*N/2+1次图像，进行相位展开，根据相位展开后的相位图，使用双目立体视觉原理完成目标体的点云重构。
2.如权利要求1所述的一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，其特征在于：所述S101中变形光栅图像的光强分布函数为：
Figure FDA0002004013890000012
其中，(x,y)表示像素坐标，Iji(x,y)为第j个频率下第i幅变形光栅图像的灰度，A(x,y)是平均灰度，B(x,y)是灰度调制，δji是图像的相位移，
Figure FDA0002004013890000013
是待计算的相对相位值。
3.如权利要求2所述的一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，其特征在于：所述S102中m频N步相移法求解相对相位值
Figure FDA0002004013890000014
的方法为：将光栅在栅线上垂直方向上平移栅距的1/N，式(1)中相位移动2π/N，再等距平移N-1次，获得N幅变形光栅图像，求解N幅变形光栅图像的光强分布函数，获得相对相位值
Figure FDA0002004013890000015
4.如权利要求3所述的一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，其特征在于：所述S102中第i幅变形光栅图像的光强分布函数为
Figure FDA0002004013890000021
5.如权利要求4所述的一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，其特征在于：所述S102中采用三频四步相移方法求解
Figure FDA0002004013890000022
当N＝4时，获得各步的光强分布函数为：
Figure FDA0002004013890000023
Figure FDA0002004013890000024
Figure FDA0002004013890000025
Figure FDA0002004013890000026
联立式(2)至式(5)，得
Figure FDA0002004013890000027
6.如权利要求2所述的一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，其特征在于：所述S103中第N幅变形光栅图像的相位移为δji＝2πi/N，N幅变形光栅图像的总灰度为
Figure FDA0002004013890000028
7.如权利要求6所述的一种基于多频相移的减少投影图像数量的方法，其特征在于：所述S103中当N为偶数时，第i幅变形光栅图像和第i+N/2幅变形光栅图像的灰度之和为：Iji+Ij(i+N/2)＝2A(x,y)。
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