CN110132430B - 相移法两级编码高精度绝对相位获取方法 - Google Patents

相移法两级编码高精度绝对相位获取方法 Download PDF

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Abstract

一种相移法两级编码绝对相位获取方法，解决利用第二级编码获得最终的绝对相位的技术问题。本发明在相移测量技术基础上利用多步相移进行两级编码，采用两级编码的目的是增加码值总数，提高相邻码值间的区分度。采用具有特定比例关系的两组不同频率光栅图像获得具有同样比例关系的两组编码值，利用第一级编码可有效将相移技术获得的相位分为多个区间，进而利用第二级编码获得最终的绝对相位。有益效果为：所有像素点的编码均相互独立，不存在相位截断导致绝对相位错位问题，编码不易出错；采用较少图像数量也可解析高精度绝对相位，同时大大减少了运算量，能显著提高测量效率。

Description

相移法两级编码高精度绝对相位获取方法
所属技术领域：
本发明属于光学三维测量领域，是一种在多步相移法基础上，利用两级灰度编码获得最终相移测量法绝对相位的技术，能够满足三维形貌精确快速测量。
背景技术
相移测量技术通过投射一系列满足周期关系的图像进而获得绝对相位，并在此基础上结合成像模型恢复被测物体型面三维坐标的光学三维测量技术。
现有技术中，相移测量技术的实现依托于绝对相位的获得。传统上格雷码加相移以及多频相移法均为能够实现绝对相位的获取。然而，格雷码条纹需要投影幅数较多，同时，由于条纹中相位对环境光、相机噪声、物体表面的反射率物体表面的反射率等较敏感，且边缘不易区分，测量精度也相对较差。因此，目前已经逐渐被多频相移测量技术取代，该技术具有较强的抗噪能力，为了扩大测量面一般采用三个频率的光栅图像，且需要满足一定的频率关系才能唯一的解析出绝对相位。尽管该方法测量精度高，但该方法存在投射图像多，以及绝对相位的解析需要大量乘除法以及反正切运算等问题，其测量速度相对较慢。
现有技术中，也有采用黑白二元编码，分段编码及其他编码方法求解绝对相位的技术，这些方法都存在诸如编码总数偏少、编码不连续时易出错、相邻码值区分度小易出错等问题。因此，本发明针对以上各方法的缺点提出相移法两级编码技术。
发明内容
本发明在相移测量技术基础上利用多步相移进行两级编码，采用两级编码的目的是增加码值总数，提高相邻码值间的区分度。采用具有特定比例关系的两组不同频率光栅图像获得具有同样比例关系的两组编码值，利用第一级编码可有效将相移技术获得的相位分为多个区间，进而利用第二级编码获得最终的绝对相位。
本发明为实现发明目的采用的技术方案是：依据图像分辨率设计相位图像，根据相位图像的周期和频率选择合适的一级码值，将其分割为多个区间，根据分割的区间总数，确定二级码值。依据两组码值，经过相移光栅图像生成、相位解码、码值规格化、等步骤获得最终的绝对相位。多步相移法一般包括三步、四步、五步相移法，相位的计算有所不同，这里以四步相移法为例说明该方案的具体步骤如下：
①、依据图像在条纹垂直方向的分辨率n及相移光栅的频率f1，选择合适的相位偏移量t1，生成光栅图像Ik，其中，k＝1,2,3,4，生成光栅过程中加入偏移量是为了方便与一级码值的相位按周期对齐，令相位的周期为T1，则有：
T1＝n/f1 (1)
②、选择合适的一级码值M1，则自然数1～M1的每个码值对应相位的一个周期。设一级编码图像的频率和周期分别为f2和T2，则有T2＝M1×T1。由周期与频率的关系可得f2；
f2＝f1/M1 (2)
依据该频率，选择合适的相位偏移量t2，使得一级编码的周期与相位的周期同步，到此获得四幅一级编码光栅。
③、计算二级码值M2，令二级编码图像的频率和周期分别为f3和T3，则为了保证绝对相位的唯一性，二级编码图像需要设定只包含一个周期，即f3＝1，则T3＝n。根据公式(2)可以类推：
f3＝f2/M2 (3)
从而得到，
M2＝f2 (4)
依据该频率，选择合适的相位偏移量t3，使得二级编码的周期与相位的周期同步，到此获得四幅二级编码光栅。
④、依据四步相移法的相位解算公式计算三组频率f1、f2、f3对应的相位
Figure GDA0002881714040000031
Figure GDA0002881714040000032
Figure GDA0002881714040000033
⑤、根据设计，相位
Figure GDA0002881714040000034
呈阶梯状，利用公式(6)将分布于[-π,π]区间内的相位
Figure GDA0002881714040000035
转换到[1,M1]区间内，获得一级码值。
Figure GDA0002881714040000036
其中，floor(·)表示对数值向负无穷方向取整，min(·)表示取最小值，max(·)表示取最大值；
⑥、利用公式(7)将分布于[-π,π]区间内的相位
Figure GDA0002881714040000037
转换到[1,M2]区间内，获得二级码值；
Figure GDA0002881714040000038
⑦、根据公式(8)，利用两级码值计算最终码值K；
K＝K1+M1K2 (8)
⑧、根据公式(9)，利用码值K计算绝对相位：
Figure GDA0002881714040000039
本发明的有益效果为：
(1).得益于相移技术的优点该方法所有像素点的编码均相互独立，不存在相位截断导致绝对相位错位问题；
(2).由于相位值分布在[-π,π]区间内，采用两级编码区分度高，编码不易出错；
(3)编码图像数量对编码结果没有影响，因此采用较少图像数量也可解析高精度绝对相位，同时大大减少了运算量，能显著提高测量效率。
具体实施方式
相移法两级编码高精度绝对相位获取方法经相位图像设计，一级码值选择、二级码值计算、解码、绝对相位计算等过程。以四步相移法为例说明该方案由以下步骤实现：
①.依据图像在条纹垂直方向的分辨率n及相移光栅的频率f1，选择合适的相位偏移量t1，生成光栅图像Ik，其中，k＝1,2,3,4，生成光栅过程中加入偏移量是为了方便与一级码值的相位按周期对齐，令相位的周期为T1，则有
T1＝n/f1 (1)
②.选择合适的一级码值M1，则自然数1～M1的每个码值对应相位的一个周期。设一级编码图像的频率和周期分别为f2和T2，则有T2＝M1×T1。由周期与频率的关系可得f2：
f2＝f1/M1 (2)
依据该频率，选择合适的相位偏移量t2，使得一级编码的周期与相位的周期同步，到此获得四幅一级编码光栅；
③.计算二级码值M2，令二级编码图像的频率和周期分别为f3和T3，则为了保证绝对相位的唯一性，二级编码图像需要设定只包含一个周期，即f3＝1，则T3＝n。根据公式(2)可以类推：
f3＝f2/M2 (3)
从而得到，
M2＝f2 (4)
依据该频率，选择合适的相位偏移量t3，使得二级编码的周期与相位的周期同步，到此获得四幅二级编码光栅；
④.依据四步相移法的相位解算公式计算三组频率f1、f2、f3对应的相位
Figure GDA0002881714040000051
Figure GDA0002881714040000052
Figure GDA0002881714040000053
⑤.根据设计，相位
Figure GDA0002881714040000054
呈阶梯状，利用公式(6)将分布于[-π,π]区间内的相位
Figure GDA0002881714040000055
转换到[1,M1]区间内，获得一级码值：
Figure GDA0002881714040000056
其中，floor(·)表示对数值向负无穷方向取整，min(·)表示取最小值，max(·)表示取最大值；
⑥.利用公式(7)将分布于[-π,π]区间内的相位
Figure GDA0002881714040000057
转换到[1,M2]区间内，获得二级码值：
Figure GDA0002881714040000058
⑦.根据公式(8)，利用两级码值计算最终码值K：
K＝K1+M1K2 (8)
⑧.根据公式(9)，利用码值K计算绝对相位：
Figure GDA0002881714040000059

Claims (1)

1.一种相移法两级编码绝对相位获取方法，其特征在于：该方法由以下步骤实现：
①.依据图像在条纹垂直方向的分辨率n及相移光栅的频率f1，选择相位偏移量t1，生成光栅图像Ik，其中，k＝1,2,3,4，生成光栅过程中加入偏移量是为了方便与一级码值的相位按周期对齐，令相位的周期为T1，则有：
T1＝n/f1 (1)
②.选择一级码值M1，则自然数1～M1的每个码值对应相位的一个周期，设一级编码图像的频率和周期分别为f2和T2，则有T2＝M1×T1，由周期与频率的关系可得f2：
f2＝f1/M1 (2)
依据该频率，选择合适的相位偏移量t2，使得一级编码的周期与相位的周期同步，到此获得四幅一级编码光栅：
③.计算二级码值M2，令二级编码图像的频率和周期分别为f3和T3，则为了保证绝对相位的唯一性，二级编码图像需要设定只包含一个周期，即f3＝1，则T3＝n，根据公式(2)可以类推：
f3＝f2/M2 (3)
从而得到，
M2＝f2 (4)
依据该频率，选择合适的相位偏移量t3，使得二级编码的周期与相位的周期同步，到此获得四幅二级编码光栅；
④.依据四步相移法的相位解算公式计算三组频率f1、f2、f3对应的相位
Figure FDA0002883738690000011
Figure FDA0002883738690000012
Figure FDA0002883738690000021
⑤.根据设计，相位
Figure FDA0002883738690000025
呈阶梯状，利用公式(6)将分布于[-π,π]区间内的相位
Figure FDA0002883738690000026
转换到[1,M1]区间内，获得一级码值；
Figure FDA0002883738690000022
其中，floor(·)表示对数值向负无穷方向取整，min(·)表示取最小值，max(·)表示取最大值；
⑥.利用公式(7)将分布于[-π,π]区间内的相位
Figure FDA0002883738690000027
转换到[1,M2]区间内，获得二级码值：
Figure FDA0002883738690000023
⑦.根据公式(8)，利用两级码值计算最终码值K：
K＝K1+M1K2 (8)
⑧.根据公式(9)，利用码值K计算绝对相位：
Figure FDA0002883738690000024
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