CN110793463B - 一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法，该方法适用于采用信息辅助法进行相位解包裹时所得相位。所提方法的主要步骤包括：基于解包裹相位的梯度分布，设定阈值，求得相位图边缘；由检测得到的相位图边缘及闭合边缘所包围区域确定所有可能存在解包裹相位误差的点；最后对这些点进行误差校正，得到正确的相位分布。本发明所公开方法由于将相位误差检测与校正两个过程相分离，相位误差检测中也实现了对相位不连续区域的有效标记，因而在相位校正时无需借助质量图引导去避开不连续区域即可实现对各类区域解包裹相位误差的准确校正，兼具鲁棒性与效率。

Description

一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法

技术领域

本发明属于光学三维测量技术领域，具体涉及一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法。

背景技术

条纹投影轮廓术是一种测量速度快、环境适应性好、精度较高的三维测量方法，不但在制造业检测中需求广泛，而且在机器人视觉、模式识别、虚拟现实等领域有着广阔应用前景。采样条纹图相位是条纹投影轮廓术进行三维重建的核心参量，其精度直接决定三维测量精度。影响求解相位精度的主要环节为相位解调与相位解包裹，其中的相位解包裹是对包裹在[-π,π)的解调相位恢复相位真值的过程。现有的相位解包裹方法众多，根据工作机理的不同可以划分为两大类：空域法及信息辅助法。空域法基于相位在图像不同位置的分布特征实现解包裹，信息辅助法则借助不同类型信息的逐点分布特征实现解包裹。信息辅助法主要借助的信息有灰度格雷码、相位码、色彩码、不同频率的相位、空间几何约束等。与空域法相比，信息辅助法在进行相位解包裹时借助辅助信息逐点进行，无需借助相位的空间分布，不同点间不存在干扰，因而有着更好的鲁棒性，解包裹速度更快，且执行速度不受相位质量及表面不连续的影响，这使得信息辅助法相位解包裹技术在实际中应用更为广泛。

虽然信息辅助法具有良好的鲁棒性，但这不意味着采用信息辅助法能保证解包裹过程中不出现错误。实际上，由于低信噪比、大表面梯度等因素的存在，采用任何形式的信息辅助法进行相位解包裹，错误的出现都是难免的。因而，对解包裹相位进行误差检测与校正是提高解包裹相位精度进而提高条纹投影轮廓术测量精度的必然要求。

在解包裹相位误差检测与校正方面，国内外学者进行了一系列成效显著的研究。比较有代表性的有，冯世杰等人在文章“Automatic identification and removal ofoutliers for high-speed fringe projection profilometry”中展示了一种组合式离群点检测方法，其中一种方法是，对解包裹相位进行高斯平滑，然后将平滑前后的相位作差，差值超出设定阈值的点被判定为存在解包裹相位误差的点，进而将这些点进行剔除；YiDing等人在文章“Simplified fringe order correction for absolute phase mapsrecovered with multiple-spatialfrequency fringe projections”中提出，通过分析解调相位，得到其相位跳跃点，这些相位跳跃点构成一条条横贯图像有效区域的线段，两条相邻线段间包含的区域被标识为具有同一条纹级数的区域，进而通过计数所标识的同一条纹级数区域内实际条纹级数分布，将数量较少的点判定为存在解包裹误差的点，将这些点的条纹级数替换为该区域内数量占主导的条纹级数值，实现对解包裹相位误差的校正；Dong-ukKam等人在文章“Unwrapped phase correction for robust 3D scanning”中提出，通过计算中间相位的局部标准差，将标准差低于阈值的点设定为初始解包裹可信点，进而计算候选点与最近初始解包裹可信点间的二范数距离，小于2的候选点条纹级数便被设定为真值；张春伟等人在文章“Fringe order error in multifrequency fringe projectionphase unwrapping_reason and correction”中基于解包裹相位空间分布特征，提出了分别适用于连续区域与不连续区域的条纹级数误差校正方法。

上述方法均能够实现对相位误差点的有效检测以及误差剔除或校正，但也存在不足。冯世杰等人所提方法无法检测到大面积存在解包裹相位误差的点，此外还有可能对一些被误平滑的点产生误判，而且没有对检测到的误差点进行校正。Yi Ding等人所提方法同样无法检测到大面积存在解包裹相位误差的点，而且当存在横跨视场的较大表面不连续时，可能会出现对附近区域相位的误判，进而带来对相位的误校正。Dong-ukKam等人所提方法存在与冯世杰等人所提方法类似的不足，而且具体使用过程中需要多次逐点计算相位均方差、二范数等参量，难以实现对相位误差的快速校正。张春伟等人所提相位解包裹误差校正方法没有将相位误差的检测与校正过程分离，需要将被测区域人为地划分为连续区域与不连续区域，对不连续区域相位进行误差校正时需要采用质量图法进行引导，效率较低，而且不利于整个过程的自动实现。

发明内容

针对现有解包裹相位误差检测与校正方法存在的不足，本发明的目的在于提出一种鲁棒、高效且适用范围广的基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法，适配信息辅助法相位解包裹技术。

为达到上述目的，本发明所述一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法，包括以下步骤：

步骤1：从解包裹条纹图中选定起始点，以选定的起始点为中心向外扩展搜索，搜索到的点即为搜索点，计算每一个搜索点与其邻域点间的相位梯度；

步骤2：根据步骤1计算得到的搜索点与其邻域点间相位梯度值，判定搜索点是否为相位图边缘点，并根据判定结果对搜索点进行标记，得到解包裹相位图的所有边缘点；

步骤3：将步骤2检测得到的所有边缘点及闭合边缘所包围区域中的点设定为可能存在解包裹相位误差的点；

步骤4：从解包裹相位图中选定相位校正起始点，以相位校正起始点为中心向外扩展搜索，当搜索到可能存在解包裹相位误差的点时，对该点的相位误差进行校正，得到正确相位。

进一步地，步骤1中的起始点是不受解包裹相位误差影响的点，实际中选定为采样条纹图中的高质量点。

进一步地，步骤1中的相位梯度计算公式如下：

ΔΦ(x,y)＝abs[Φ(x,y)-Φ(x_a,y_a)], (4)

其中，Φ(x,y)表示采用辅助信息法得到的解包裹相位；ΔΦ(x,y)为Φ(x,y)在点(x,y)处的相位梯度；(x_a,y_a)为点(x,y)的邻域点；abs(*)表示对*取绝对值。

进一步地，步骤2中，相位图边缘检测准则如下：

其中，edge(x,y)表示相位图Φ(x,y)的边缘分布，1表示该点为相位图边缘，也就是可能存在解包裹相位误差的点，0表示该点不是相位图边缘，不存在解包裹相位误差；thr为边缘判定阈值。

进一步地，步骤3中，生成一个大小与Φ(x,y)一致的矩阵error(x,y)，对所有可能存在解包裹相位误差的点，设定error(x,y)＝1，其它点处的error(x,y)设定为非1的值，比如0。

进一步地，相位校正起始点为任意满足error(x,y)＝0的点。

进一步地，步骤4中，对error(x,y)＝0的点进行搜索时，采用八邻域法逐步扩散，当搜索到error(x,y)＝1的点时，搜索路径按需制定。

进一步地，步骤4中，对解包裹相位误差进行校正的方案为

其中，Φ_c(x,y)为对Φ(x,y)校正后得到的相位值；(x_a,y_a)为点(x,y)的邻域点。

进一步地，步骤4中，当既有error(x_a,y_a)＝0的邻域点又有error(x_a,y_a)＝1的邻域点时，选用error(x_a,y_a)＝0的邻域点进行解包裹相位误差校正；当存在多个error(x_a,y_a)＝1或多个error(x_a,y_a)＝0的邻域点时，选取其中的一个或多个邻域点分别进行相位校正，对比确定最终的校正相位。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

实现了对解包裹相位误差检测与校正环节的分离，有助于实现对误差的快速、准确检测，进而为实现对含有表面不连续区域相位误差的快速鲁棒校正奠定了基础；适用范围广，几乎涵盖所有信息辅助式相位解包裹方法；适应性好，在解包裹相位误差校正过程中通过对特征信息的充分利用有助于提高对各种相位跳变的准确识别能力，避开表面不连续区域对解包裹的影响；一旦所需判定条件设定好后，整个相位解包裹误差校正过程无需人工介入，自动化程度好，相位误差校正效率显著优于现有方法。

本发明所公开方法，在解包裹相位误差检测过程中仅需要借助相位信息，能够准确识别各种相位跳变，无论是对连续区域还是对包含局部不连续区域的相位均可实现解包裹相位误差的快速检测与鲁棒校正。

附图说明

图1为被测圆柱体的采样条纹图；

图2为图1所示条纹图进行相移法相位解调及多频法解包裹后得到的解包裹相位图；

图3为采用所提方法进行检测得到的图2的边缘；

图4为由图3所示相位图边缘分布得到的所有可能存在解包裹相位误差的点；

图5为采用所提方法对图2所示解包裹相位图进行误差校正后得到的相位图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法，包括以下步骤：

步骤1：从解包裹条纹图中选定起始点，以选定的起始点为中心逐步向外扩展搜索，计算每一个搜索点与其邻域点间的相位梯度；

图1是设定周期为19像素的正弦条纹图投影到被测圆柱体表面后由相机采样得到的条纹图。对图1所示条纹图采用相移法计算得到其包裹相位，进而采用多频法计算得到解包裹相位，解包裹相位图如图2所示，且设图2所示相位为Φ(x,y)。由图2可见，其左右边缘处存在不规则突起。由于被测对象为圆柱体，表面光滑，因而相位应该连续分布。图2中左右两侧的不规则突起是由解包裹相位误差引起。

本步骤中的起始点必须选定为不受解包裹相位误差影响的点，实际中可以通过选定条纹图质量较高的点加以保证。按照这一原则，本实施例中选定图2中的点(300,250)为搜索起始点，对图2相位以点(300,250)为中心逐步向外扩展，采用如下公式计算每一搜索点的相位梯度：

ΔΦ(x,y)＝abs[Φ(x,y)-Φ(x_a,y_a)], (7)

其中，ΔΦ(x,y)为Φ(x,y)在点(x,y)处的相位梯度；(x_a,y_a)为点(x,y)的邻域点，可以是四邻域点，也可以是八邻域点等，但四邻域点即可满足要求；abs(*)表示对*取绝对值。

步骤2：根据相位梯度值，判定搜索点是否为相位图边缘点，并进行标记，最终得到解包裹相位图的所有边缘点；

具体的相位图边缘检测准则如下：

其中，edge(x,y)表示相位图Φ(x,y)的边缘分布，1表示该点为相位图边缘，也就是可能存在解包裹相位误差的点，0表示该点不是相位图边缘，不存在解包裹相位误差；thr为边缘判定阈值，通常可以设定为一个小于2π的值，具体可以借助采样条纹图的平均周期来更为准确地确定。本实施例中thr＝2π-3。

最终检测得到如图3所示相位图边缘，其中的白色点即为相位图边缘。

步骤3：将检测得到的所有边缘点及闭合边缘所包围区域中的点设定为可能存在解包裹相位误差的点；

具体地，生成一个大小与Φ(x,y)一致的矩阵error(x,y)，对所有可能存在解包裹相位误差的点，设定error(x,y)＝1，其它点处的error(x,y)设定为非1的值。本实施例中将不存在解包裹相位误差的点的error(x,y)设定为0。

根据图3所示相位图边缘分布，即可检测得到如图4白色区域所示的可能存在解包裹相位误差的所有点。

步骤4：从解包裹相位图中选定相位校正起始点，以该相位校正起始点为中心逐步向外扩展搜索，当搜索到可能存在解包裹相位误差的点时，对该点的相位误差进行校正。

其中的相位校正起始点为任意满足error(x,y)＝0的点，实际中可以根据具体需要酌情选定，通常将相位校正起始点设定为与步骤1中的起始点相重合。这里选定相位校正起始点为(300,250)。

对error(x,y)＝0的点进行搜索时，采用八邻域法逐步扩散，但搜索到error(x,y)＝1的点时，具体搜索路径按需制定，未必再遵循逐步扩散原则。

选定起始点后，即可借助图4所示的解包裹相位误差可能存在点的具体分布，对被搜索点的八邻域点进行检测，如果被搜索点的error(x,y)＝0，则对该点相位不做处理，继续搜索；否则对该点进行相位误差校正。具体的相位误差校正规则如下：

其中，Φ_c(x,y)为对Φ(x,y)校正后得到的相位值；(x_a,y_a)为点(x,y)的邻域点，既可以为四邻域，也可以为八邻域，选用八邻域有助于提高鲁棒性；Φ_c(x_a,y_b)为对Φ(x_a,y_b)校正后得到的相位值；round(*)表示对*取整。

当既有error(x_a,y_a)＝0的邻域点又有error(x_a,y_a)＝1的邻域点时，选用error(x_a,y_a)＝0的邻域点进行解包裹相位误差校正；当存在多个error(x_a,y_a)＝1或多个error(x_a,y_a)＝0的邻域点时，选取其中的一个或多个邻域点分别进行相位校正，对比确定最终的校正相位。

最终对图2所示解包裹相位采用所提方案进行校正后得到的相位分布如图5所示。可见，图2中存在的不规则突起消失了，整个相位图变得连续分布。也就是说，所提方法准确实现了对图2中所存在解包裹相位误差的校正。

本发明所公开方法为条纹投影轮廓术中采用信息辅助法进行相位解包裹时所出现的相位误差的准确判定与快速校正提供了一种新手段。所提方法首先进行解包裹相位误差检测，进而基于检测得到的相位误差分布进行误差校正。相位误差以相位图边缘检测的方式实现。具体地，借助解包裹相位梯度分布，梯度超过阈值的点被认定为相位图边缘，检测得到的相位图边缘及闭合边缘所包围的区域即为所有的可能存在解包裹相位误差的点。基于相位空间分布的连续性准则，即可实现对所检测到可能存在解包裹相位误差的点的相位值校正，得到真实相位分布。由于将相位误差检测与校正两个过程相分离，相位误差检测中也实现了对相位不连续区域的有效标记，因而在相位校正时无需借助质量图引导去避开不连续区域即可实现对解包裹相位误差的准确校正，使得所提方法兼具鲁棒性与效率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：从解包裹条纹图中选定起始点，以选定的起始点为中心向外扩展搜索，搜索到的点即为搜索点，计算每一个搜索点与其邻域点间的相位梯度；

步骤2：根据步骤1计算得到的搜索点与其邻域点间相位梯度值，判定搜索点是否为相位图边缘点，并根据判定结果对搜索点进行标记，得到解包裹相位图的所有边缘点；

步骤3：将步骤2检测得到的所有边缘点及闭合边缘所包围区域中的点设定为可能存在解包裹相位误差的点；

步骤4：从解包裹相位图中选定相位校正起始点，以相位校正起始点为中心向外扩展搜索，当搜索到可能存在解包裹相位误差的点时，对该点的相位误差进行校正，得到正确相位；

所述步骤1中的相位梯度计算公式如下：

ΔΦ(x,y)＝abs[Φ(x,y)-Φ(x_a,y_a)], (1)

其中，Φ(x,y)表示采用辅助信息法得到的解包裹相位；ΔΦ(x,y)为Φ(x,y)在点(x,y)处的相位梯度；(x_a,y_a)为点(x,y)的邻域点；abs(*)表示对*取绝对值；

所述步骤2中，相位图边缘检测准则如下：

其中，edge(x,y)表示相位图Φ(x,y)的边缘分布，1表示该点为相位图边缘，也就是可能存在解包裹相位误差的点，0表示该点不是相位图边缘，不存在解包裹相位误差；thr为边缘判定阈值；

所述步骤3中，生成一个大小与Φ(x,y)一致的矩阵error(x,y)，对所有可能存在解包裹相位误差的点，设定error(x,y)＝1，其它点处的error(x,y)设定为0；

所述步骤4中，对解包裹相位误差进行校正的方案为：

其中，Φ_c(x,y)为对Φ(x,y)校正后得到的相位值；(x_a,y_a)为点(x,y)的邻域点，round(*)表示对*取整。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法，其特征在于，所述步骤1中的起始点是不受解包裹相位误差影响的点。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法，其特征在于，所述步骤4中，相位校正起始点为任意满足error(x,y)＝0的点。

4.根据权利要求1所述的一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法，其特征在于，所述步骤4中，对error(x,y)＝0的点进行搜索时，采用八邻域法逐步扩散，当搜索到error(x,y)＝1的点时，搜索路径不再采用八邻域法逐步扩散。

5.根据权利要求1所述的一种基于相位分布的解包裹相位误差检测与校正方法，其特征在于，所述步骤4中，当既有error(x_a,y_a)＝0的邻域点又有error(x_a,y_a)＝1的邻域点时，选用error(x_a,y_a)＝0的邻域点进行解包裹相位误差校正；当存在多个error(x_a,y_a)＝1或多个error(x_a,y_a)＝0的邻域点时，选取其中的一个或多个邻域点分别进行相位校正，对比确定最终的校正相位。

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