CN110108200B - 一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法 - Google Patents

Abstract

一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，步骤为：1)输入激光散斑干涉相位图，求解出激光散斑干涉相位图中的所有残差点；2)根据受力公式求出当前每个残差点受到外界的电磁力，同时设定电磁力的阈值；3)计算所受电磁力大于阈值的残差点所在邻域内的明暗分界线方向；4)通过上述明暗分界线方向和电磁力方向关系，依次对所受电磁力大于阈值的残差点所在邻域进行“缝合”或“撕裂”处理，使得电性相反的残差点不断靠近或重合消失，生成处理后的激光散斑干涉相位图；5)重复步骤1)、2)、3)、4)，直到所有残差点都消失或所受电磁力都小于等于阈值时结束；6)根据现存残点设置枝切线；7)沿枝切线标识的路径进行图像解包裹，得到激光散斑干涉相位解包裹图。

Description

一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法

技术领域

本发明属于激光散斑干涉测量领域，涉及一种激光散斑相位解包裹方法。

背景技术

散斑干涉相位图解包裹是激光散斑测量的关键步骤，Goldstein枝切法解包裹算法由于可识别残差点，防止误差传递，解缠精度高的特点，可用于激光散斑干涉相位图解包裹。但当激光散斑干涉相位图相干性差、信噪比低、残次点比较多时，难以准确设置枝切线，计算速度变慢,容易形成“孤岛区域”，造成解包裹失败，出现拉丝和斑块现象。

针对以上问题通有两种常用解决思路：一是将枝切法与其它算法搭配使用，如“枝切法和质量图相结合的INSAR相位解缠的新算法”、“枝切法与曲面拟合方法”、“枝切法与最小不连续法融合算法”等，在不适合枝切法解包裹时用其它算法补充，提高解包裹成功率；二是改进枝切法操作步骤，如在设置枝切线时采用“一种求解最短枝切长度问题的学习算法”，采用求解最短枝切长度的学习算法，科学设置枝切线。采用“基于Goldstein枝切算法的MR相位解缠方法”通过引入最小生成树算法，利用掩模、滤波和最近邻域偶极子对消除等步骤，减少残差点数量，消除枝切线的重复连接、闭合回路问题，进行枝切线优化。前一类方法是枝切法应用过程的优化，后一类方法是枝切法算法的改进，主要集中于滤波处理、减少残差点和配置枝切线的算法改进。这两类方法各有优点，但仍然不能彻底解决残点分布密集区域解包裹速度慢，枝切线容易闭合造成区域性展开误差成功率低的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服激光散斑测量领域利用传统Goldstein枝切法进行图像解包裹现有技术的不足，提供了一种改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，利用残差点电磁力和小区域明暗分界线方向关系，多轮对残差点所在小区域进行图像平滑处理或增加明暗跳变操作，即“缝合”或“撕裂”处理，用以快速消除激光散斑干涉相位图内的残差点，在确保正常区域准确解包裹的同时大幅缩短传统Goldstein枝切法在设置枝切线和图像解包裹时间，实现传统Goldstein枝切法解包裹算法在激光散斑测量仪器中的工业应用。

本发明的技术方案是：一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，包括如下步骤：

1)输入激光散斑干涉相位图，求解出激光散斑干涉相位图中的所有残差点；

2)将残差点当作带着正负单位电量的“电子”，将激光散斑干涉相位图图片区域当作电磁力场，根据受力公式求出当前每个残差点受到外界的电磁力，同时设定电磁力的阈值；

3)计算所受电磁力大于阈值的残差点所在邻域内的明暗分界线方向；

4)通过上述明暗分界线方向和电磁力方向关系，依次对所受电磁力大于阈值的残差点所在邻域进行“缝合”或“撕裂”处理，使得电性相反的残差点不断靠近或重合消失，生成处理后的激光散斑干涉相位图；

5)当所受电磁力大于阈值的残差点存在时，重复步骤1)、2)、3)、4)。直到所有残差点都消失或所受电磁力都小于等于阈值时结束；

6)根据现存残点设置枝切线；

7)沿枝切线标识的路径进行图像解包裹，得到激光散斑干涉相位解包裹图。

所述步骤1)中通过Goldstein枝切法求出激光散斑干涉相位图中的所有残差点。

根据受力公式求出当前每个残差点受到外界的电磁力的具体方法如下：

假若共有n个残差点，第k个残差点表示为Ak，则它受到外界的电磁合力为：

其中k＝1,2,……,n，i＝1,2,……,n，

(D_{Ak Ai})2为残差点Ak与Ai距离的平方。

所述步骤3)的具体过程为：设定由亮域点组成亮域区域，由暗域点组成暗域区域；亮域区域与暗域区域边的界线上为明暗分界线；在平面内与经过亮域重心、暗域重心的直线垂直方向为明暗分界线方向，以分界线两侧明暗跳变大的一侧为正方向；通过亮域、暗域重心坐标，求得明暗分界线方向；其中亮/暗域重心坐标为亮/暗域点坐标和的平均值。

所述步骤4)的具体过程为：

当残差点所在小区域明暗分界线方向与该残差点受到外界的电磁力方向夹角小于60度时，对该残差点小区域进行平滑处理，即“缝合”；

当残差点所在小区域明暗分界线方向与该残差点受到外界的电磁力方向夹角大于120度时，对该残差点小区域沿明暗分界线方向进行增加明暗跳变处理，即“撕裂”；

当残差点所在小区域明暗分界线方向与该残差点受到外界的电磁力方向夹角大于等于60度而小于等于120度时，对该残差点小区域沿电磁力方向进行增加明暗跳变处理，即“撕裂”；

所述平滑处理是指用残差点周围区域内点的平均灰度值来覆盖它原来的灰度值。增加明暗跳变处理是经过残差点指向分界线方向或电磁力方向，将两侧区域中像素增加明暗跳变，即使灰度值>＝128的点更亮，灰度值<128的点更暗。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明在传统的枝切法“设置枝切线”步骤前，采用电磁力驱动残差点移动、中和电量消除残差点的方法，集中大批量消除残差点，降低枝切法解包裹中设置枝切线的难度，提高对低质量激光散斑干涉相位图解包裹的成功率。其中去残差点方法效率高，平均残差点去除率达98％以上，对于噪点区域大、残差点密集的散斑相位图去残差点效果更加明显。

2、本发明将残差点电磁力与明暗分界线方向相结合，根据不同的受力和方向位置关系，采用进行“缝合”或“撕裂”处理驱动残差点移动的方法，代替计算移动路径的常见方法，简化操作，避免了出现移动路径重复、闭合回路等问题。残差点数量减少使得枝切线数量变少，从而降低了枝切法解包裹图中出现“孤岛区域”、拉丝和斑块问题的概率，提高相位解包裹结果图的质量。

3、本发明采用电磁力场内所有残差点整体移动，就近动态匹配异性残差点，多循环消除残差点的方法，相对于常见的分块区域处理和整体规划路径的方法相比，图像计算量小。算法逻辑简单，便于开发实现。解包裹速度快，适合工业产品应用。目前已实现了单次测量图片(≥500万像素)解包裹处理总时间小于0.5秒的技术指标，达到或超过了同类其他解包裹方法的运算速度，满足了枝切法解包裹工业应用的速度要求。

附图说明

图1为本发明中求残差点的区域图；

图2为本发明中求明暗分界线方向的示意图；

图3为本发明中改进枝切法解包裹处理流程图。

具体实施方式

如图3所示，本发明一种改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，包括如下步骤：

1)输入激光散斑干涉相位图，通过Goldstein枝切法求出激光干涉散斑相位图中的所有残差点。此激光散斑干涉相位图是经过滤波处理后的原始激光散斑干涉相位图(或者是生成处理后的激光散斑干涉相位图)，判断相位图中某点A是否为残差点，通过在其2X2邻域区内四点解包裹相位差的和来决定；如图1所示。

分别考虑相邻的计算

设Δi为四条边的相位差，这里i取值为{1，2，3，4}，定义：

Δ1＝ω{ψ(m+1,n)-ψ(m,n)}

Δ2＝ω{ψ(m+1,n+1)-ψ(m+1,n)}

Δ3＝ω{ψ(m,n+1)-ψ(m+1,n+1)}

Δ4＝ω{ψ(m,n)-ψ(m,n+1)}

其中ψ(x,y)为包裹相位值，即图中像素点(x，y)的灰度值；ω{x}＝x+2kπ为包裹函数,-π≤ω{x}≤π，k∈Z；

计算R＝Δ1+Δ2+Δ3+Δ4，

当R＝0时，A点为连续点，当R＝2π时，A点为正残差点，当R＝-2π时，A点为负残差点。

规定一个正残差点的电量为+1，一个负残残差的电量为-1。

2)将残差点当作带着正负单位电量的“电子”，将激光散斑干涉相位图图片区域当作电磁力场，根据受力公式求出当前每个残差点受到外界的电磁力，同时设定电磁力的阈值；其中所述受力公式定义如下：

假若共有n个残差点，则第k个残差点为Ak，则它受到外界(其它残差点)的电磁合力

其中k＝1,2,……,n，i＝1,2,……,n，

(D_{Ak Ai})2为残差点Ak与Ai距离的平方

3)计算所受电磁力大于阈值的残差点所在邻域(10x10区域)内的明暗分界线方向。具体过程为：设定由亮域点组成亮域区域，由暗域点组成暗域区域；亮域区域与暗域区域边的界线上为明暗分界线；在平面内与经过亮域重心、暗域重心的直线垂直方向为明暗分界线方向，以分界线两侧明暗跳变大的一侧为正方向。通过亮域、暗域重心坐标，求得明暗分界线方向。其中亮/暗域重心(坐标)为亮/暗域点坐标和的平均值(为四舍五入后的整数值)；

4)通过上述明暗分界线方向和电磁力方向关系，依次对所受电磁力大于阈值的残差点所在邻域进行“缝合”或“撕裂”处理，使得电性相反的残差点不断靠近或重合消失，生成处理后的激光散斑干涉相位图。具体过程为：

当残差点所在小区域明暗分界线方向与该残差点受到外界的电磁力方向夹角小于60度时，对该残差点小区域进行平滑处理，即“缝合”；

当残差点所在小区域明暗分界线方向与该残差点受到外界的电磁力方向夹角大于120度时，对该残差点小区域沿明暗分界线方向进行增加明暗跳变处理，即“撕裂”；

当残差点所在小区域明暗分界线方向与该残差点受到外界的电磁力方向夹角大于等于60度而小于等于120度时，对该残差点小区域沿电磁力方向进行增加明暗跳变处理，即“撕裂”；

其中平滑处理是指用残差点周围区域内点的平均灰度值来覆盖它原来的灰度值。增加明暗跳变处理是经过残差点指向分界线方向或电磁力方向，将两侧区域中像素增加明暗跳变，即使亮的点(灰度值>＝128)更亮，暗的点(灰度值<128)更暗。

例如对残差点A平滑处理和增加明暗跳变处理如下：

平滑处理：设定以A为中心选择半径为R(＝10)的区域，在这个区域中依次选出所有点，求出以该点为中心3X3区相邻点的平均值，用这个值覆盖该点原有的灰度值。循环以上步骤，直到处理完所有点为止。

增加明暗跳变处理：考虑以A为中心选择半径为R(＝10)的区域，在这个区域中依次选出点(x0,y0)，求出以该点为中心3X3区相邻点的跳变次数n，(其中定义(该点灰度值-128)*(相邻点-128)<0,为一次跳变)，计算跳变后的灰度值V_(x0,y0)

其中(x0,y0)为残差点A为中心选择半径为R的区域内的某点，ψ(x,y)为包裹相位值，即以(x0,y0)为中心3X3区相邻点像素点(x,y)的灰度值。用这个值覆盖点(x0,y0)原有的灰度值。循环以上步骤，直到处理完所有点为止。

5)当所受电磁力大于阈值的残差点存在时，重复步骤1)、2)、3)、4)。直到所有残差点都消失或所受电磁力都小于等于阈值时结束；

6)根据现存残点设置枝切线；

7)沿枝切线标识的路径进行图像解包裹，得到激光散斑干涉相位解包裹图。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，其特征在于包括如下步骤：

1)输入激光散斑干涉相位图，求解出激光散斑干涉相位图中的所有残差点；

2)将残差点当作带着正负单位电量的“电子”，将激光散斑干涉相位图图片区域当作电磁力场，根据受力公式求出当前每个残差点受到外界的电磁力，同时设定电磁力的阈值；

3)计算所受电磁力大于阈值的残差点所在邻域内的明暗分界线方向；

4)通过上述明暗分界线方向和电磁力方向关系，依次对所受电磁力大于阈值的残差点所在邻域进行“缝合”或“撕裂”处理，使得电性相反的残差点不断靠近或重合消失，生成处理后的激光散斑干涉相位图；

5)当所受电磁力大于阈值的残差点存在时，重复步骤1)、2)、3)、4)，直到所有残差点都消失或所受电磁力都小于等于阈值时结束；

6)根据现存残点设置枝切线；

7)沿枝切线标识的路径进行图像解包裹，得到激光散斑干涉相位解包裹图。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，其特征在于，其特征在于：所述步骤1)中通过Goldstein枝切法求出激光散斑干涉相位图中的所有残差点。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，其特征在于：根据受力公式求出当前每个残差点受到外界的电磁力的具体方法如下：

假若共有n个残差点，第k个残差点表示为Ak，则它受到外界的电磁合力为：

其中k＝1,2,……,n，i＝1,2,……,n，

(D_{Ak Ai})2为残差点Ak与Ai距离的平方。

4.根据权利要求1所述的一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，其特征在于：所述步骤3)的具体过程为：设定由亮域点组成亮域区域，由暗域点组成暗域区域；亮域区域与暗域区域边的界线上为明暗分界线；在平面内与经过亮域重心、暗域重心的直线垂直方向为明暗分界线方向，以分界线两侧明暗跳变大的一侧为正方向；通过亮域、暗域重心坐标，求得明暗分界线方向；其中亮/暗域重心坐标为亮/暗域点坐标和的平均值。

5.根据权利要求1所述的一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，其特征在于：所述步骤4)的具体过程为：

当残差点所在小区域明暗分界线方向与该残差点受到外界的电磁力方向夹角小于60度时，对该残差点小区域进行平滑处理，即“缝合”；

当残差点所在小区域明暗分界线方向与该残差点受到外界的电磁力方向夹角大于120度时，对该残差点小区域沿明暗分界线方向进行增加明暗跳变处理，即“撕裂”；

当残差点所在小区域明暗分界线方向与该残差点受到外界的电磁力方向夹角大于等于60度而小于等于120度时，对该残差点小区域沿电磁力方向进行增加明暗跳变处理，即“撕裂”。

6.根据权利要求5所述的一种基于改进枝切法的激光散斑相位解包裹方法，其特征在于：所述平滑处理是指用残差点周围区域内点的平均灰度值来覆盖它原来的灰度值；增加明暗跳变处理是经过残差点指向分界线方向或电磁力方向，将两侧区域中像素增加明暗跳变，即使灰度值>＝128的点更亮，灰度值<128的点更暗。

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