CN111241317B - 一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及三维建模技术领域，具体而言，提供了一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法、装置及电子设备。先将获取到的图像信息分至特定的组别，然后分组别具体讨论，各组通过预先建立好的两个二维查找表和一个补偿查找表计算得到对应的相位以及调制参数，最后将各组相位以及调制参数进行均值融合。如此，极大简化了计算的复杂度，使得相位和调制参数获取耗时大幅度减少。

Description

一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法

技术领域

本申请实施例涉及三维建模技术领域，具体而言，涉及一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法、装置及电子设备。

背景技术

相位轮廓测量术是一种主动性的三维测量技术，因其非接触性、速度快、测量精度高的优点被广泛使用。具体过程是先由投影仪投射不同相位的正弦条纹图到被测物体上，然后由摄像机捕捉被被测目标物体调制的变形条纹图，然后传至计算单元计算相位信息最终计算出三维数据。

传统的相位轮廓测量术在计算相位过程中，中间有一步需要进行反正切操作和求开方操作，这一过程耗时耗力，目前的解决措施，是将计算结果提前记入查找表中，以此避开耗时的反正切和求开方操作，但是现有算法只能处理投影数量N为3，4、6的情况，适用范围面窄，且因为投影图像数量少导致三维重建结果不精确。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本申请提出一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

通过投影设备将预设条纹图投射到目标物体上，以产生调制后的变形条纹图，其中投射的图像总数量是有一定要求的；

获取所述变形条纹图，将条纹图按照一定规则分组；

根据预先建立好的多个查找表和补偿算法获取各组变形条纹图的相位及调制参数；

将获取到的各组相位及调制参数进行均值融合，以获取最终的相位及调制参数信息。

进一步地，对投影的条纹图像总数量的要求如下：

图像总数量N必须大于2；

图像总数量N能够被分为N＝KM的形式，其中K为3、4或者6的一个，K是每组图像的数量，M为组别的数量。

进一步地，条纹图的分组规则包括：将N张变形条纹图分为M组，其中每组有K张变形条纹图，K是3、4、6中的一个数值。每组条纹图如下：

G_m＝{I_n|n＝m+kM and k∈[0，K-1]}

其中Gm为第m组包含的变形图，共K张；In为第n张变形条纹图，M为组别的总数量。进一步地，其中补偿算法具体步骤包括：

对各分组的相位针对两类误差进行补偿，高斯白噪声误差和非线性误差，其中两个补偿算法无顺序要求，针对高斯白噪声误差，需要对各组相位做以下操作：

其中

是被高斯白噪声污染的第m组相位；

针对非线性误差，需要对各种相位做以下操作：

其中

是被非线性误差污染过的第m组相位，mod是取模操作，其中Sm和Cm分别以下式求出

其中：

进一步地，建立各组的相位查找表以及调制信息查找表的具体步骤包括：

以K＝3为例：

原始相位和调制信息由如下方式求知：

其中Bm和φ_m分别是第m组的调制信息和相位，则查找表可以按如下方式建立：

其中

进一步地，将所述各组相位和调制信息均值融合的操作如下：

等式左边分别是最终的整体的调制信息和相位。

本申请实施例还提供一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取装置，该装置包括：

投影模块，用于通过投影装置将预设条纹图投射到目标物体上，以产生调制后的变形条纹图；

分组模块，将获取所述变形条纹图按既定规则进行分组；

计算模块，根据预设的二维查找表和既定补偿算法计算各组的相位与调制；

融合模块，将各组的相位和调制信息进行均值操作，以获取最终总体的相位和调制信息。

本申请实施例还提供一种电子设备，所述设备包括处理器、存储器、基于多个二维查找表的相位和调制信息获取装置及总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器及所述存储器之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，并执行上述的基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法的步骤。

相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：

本申请实施例提供了一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法、装置及电子设备。先将获取到的图像信息分至特定的组别，然后分组别具体讨论，各组通过预先建立好的两个二维查找表和一个补偿查找表计算得到对应的相位以及调制参数，最后将各组相位以及调制参数进行均值融合。如此，极大简化了计算的复杂度，使得相位和调至参数获取耗时大幅度减少。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1本申请实施例提供的基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的电子设备的结构框图。

图标：100-电子设备；110-基于多个二维查找表的相位获取装置；111-投影模块；112-分组模块；113-计算模块；114-融合模块；120-处理器；130-存储器。

图3为本申请实施例中提供的调制信息查找表。

图4为本申请实施例中提供的第一组相位查找表。

图5为本申请实施例中提供的第二组相位查找表。

图6为本申请实施例中提供的第三组相位查找表。

图7为本申请实施例中提供的第四组相位查找表。

图8为本申请实施例中提供的补偿信息查找表。

图9是本申请实施例提供的基于二维查找表的相位和调制信息获取装置的功能模块框图。

图10是使用传统方法的被测物体的三维重构图。

图11是使用本申请提供算法的被测物体的三维重构图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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申请中的具体含义。

经申请人研究发现，传统的相位测量轮廓术采用投影复合频率正弦图像，既需要多个频率的较多条纹图，该算法对静态物体的三维点云重建可以达到很高的精度，但是同时，由于投射复合频率过程中投影、相机捕捉图像以及算法计算过程中较多的耗时，注定着投影大量复合频率正弦图像的模式无法重建动态物体。其中算法计算过程中的耗时操作包括开根号操作以及反正切操作。而仅仅从减少投影正弦图像数量上解决重建的实时性问题则意味无法保证算法对于高斯噪声、元器件的非线性误差等因素的鲁棒性。

现有算法是一种针对相移图像数量分别为3、4以及6等情况分别建立查找表的算法，能够有效的绕开相位计算过程中耗时最多的反正切函数，但是由于其算法的特殊性，只能针对少数几种相移数目建立查找表，由于相移图像数目较少，对高斯噪声以及非线性现象的鲁棒性较差。

鉴于以上所述：本申请实施例提供一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法，先将获取到的图像信息分至特定的组别，然后分组别具体讨论，各组通过预先建立好的两个二维查找表和一个补偿查找表计算得到对应的相位以及调制参数，最后将各组相位以及调制参数进行均值融合下面对本申请实施例提供的方案进行详细阐述。

请参阅图2，图2为本申请实施例提供的电子设备100的结构框图。本申请实施例提供的基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法可以通过该电子设备100实现。

具体地，电子设备100包括处理器120、存储器130、基于二维查找表的相位展开装置110及总线，所述存储器130存储有所述处理器120可执行的机器可读指令，当电子设备100运行时，所述处理器120及所述存储器130之间通过总线通信，所述处理器120执行所述机器可读指令，并执行本申请实施例提供的基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法的步骤。可以理解，图2所示的结构仅为示意，所述电子设备100还可包括比图2中所示更多或者更少的组件，或者具有与图2所示不同的配置。图2中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

可选地，所述电子设备100的具体类型不受限制，例如，可以是，但不限于，智能手机、个人电脑(personal computer，PC)、平板电脑及数据服务器等具有处理功能的设备。

结合参阅图1，本申请实施例还提供一种可应用于上述电子设备100的基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法。其中所述方法有关的流程所定义的方法步骤可以由所述处理器120实现。下面将对图1所示的具体流程进行详细阐述。

步骤S1，通过投影装置将预设条纹图投射到目标物体上，以产生调制后的变形条纹图，其中条纹图数量按照预定规则确定。

在实际使用中，需要预先确立投影图像数目，具体规则为：图像总数量N必须大于2；图像总数量N能够被分为N＝KM的形式，其中K为3、4或者6中的一个，K是每组图像的数量，M为组别的数量。确立好图像数量后，使用投影设备将该数量的正弦相移条纹图投射至目标物体表面，正弦相移条纹图会被目标物体表面起伏调制为变形条纹图。

步骤S2，获取变形条纹图，并将变形条纹图按预定规则分组。

采用高精度的摄像机采集由投影系统投射至被测物体表面形成的N张图像，并将接收到的光信号转换为电信号，送至图像卡，将电信号放大，在经过模数转换后量化为数字图像，完成获取变形条纹图步骤。

值得说明的是，投影的正弦条纹图像可由以下公式表达：

其中，

是投影图像在投影机坐标(X^p,Y^p)处的亮度，A^p和B^p是两个常量，并且A^p≥B^p，整数f是投影图像的空间频率，H是投影机空间分辨率的高度，n是相移系数，N(≥3)是相移步数，即频率为f的投影图像总数。

当投影图像投影到被测物体表面后，投影图像将根据自身的高度及表面构成发生一定程度的形变，摄影机获取到的投影图像可由以下公式表达：

其中，A^c和B^c分别是在相机坐标(X^c,Y^c)处的直流分量和亮度调制，n是相移系数，N是相移步数，

是投影图像在相机处的亮度，φ是相位。

本申请实施例中，通过以下公式即可获得图像对应的相位:

需要说明的是，上述公式均可参考现有技术，更多原理在此不做赘述。

具体规则分组是：

将N张变形条纹图分为M组，其中每组有K张变形条纹图，K是3、4、6中的一个数值。每组条纹图可用如下公式表达：

G_m＝{I_n|n＝m+kM and k∈[0，K-1]}

其中Gm为第m组包含的变形图，共K张；In为第n张变形条纹图，M为组别的总数量。步骤S3，各组通过预先建立好的两个二维查找表以及补偿算法计算得到对应的相位以及调制参数。

下面以K为3，M为4的情况为例做具体阐述：本实例中总变形条纹图数量为12，按照步骤S2所述分组方规则，可将总变形条纹图分为4组，每组3张变形条纹图。预先建立好的二位查找表包括相位查找表和调制信息查找表，其中各组可以共用调制信息查找表，但无法共用相位查找表。换而言之，分组以后共需要M个相位查找表和1个调制信息查找表，具体到本例中则需要4个相位查找表以及1个调制信息查找表。

请参阅图3，该图是组内图像数量为3时即K为3的调制信息二维查找表，建立调制信息查找表的公式表达如下：

其中MLUT₃时K为3时的调制信息查找表，I_m是第m张变形条纹图，此表可以供所有分组使用。

请参阅图4至图7，这四张图为四个分组下的相位二维查找表，建立相位查找表的公式表达如下：

其中PLUT^(m)表示的是第m分组的相位查找表，PLUT⁽⁰⁾表示第0分组的相位查找表，mod为取模操作，CLUT₃(m)是对元器件的非线性效应造成的相移误差做出的补偿查找表，与上述的相位查找表和调制信息查找表不同的是，该补偿查找表是一维的表，而且长度为m，占内存较小，其计算步骤包括：

需要注意的是B_h的计算过程需要在额外投影大量条纹图，比如120张或者240张，此过程较为耗时，但查找表的性质就是可以提前建立并储存于存储设备中，故计算B_h并不影响实际测量的实时性，在申请者实验环境下，申请者测试实例中的补偿查找表具体如图8所示。

对高斯白噪声造成误差的补偿算法的公式表达如下：

其中Φ_m是指第m分组的相位误差。

需要说明的是，本实例只是对组别数目M＝4、组内图像数K＝3的情况进行了具体阐述，而实际使用本申请算法时，还可根据总投影数目N的大小，将K设置为4或者6。

步骤S5，将各组相位以及调制参数进行均值融合，以得到最终结果。

根据上述步骤求得各组相位以及调制信息之后，需要将其进行均值融合得到最终整体的相位以及调制信息。具体过程可用以下公式表示：

请参阅图9，本申请实施例还提供一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取装置110，所述装置包括：

投影模块111，用于投影既定数目的条纹图，并获取被实际物体表面调制后的变形条纹图。分组模块112，用于将变形条纹图按预定规则分组。

计算模块113，用于各组通过预先建立好的两个二维查找表以及补偿算法计算得到对应的相位以及调制参数。。

融合模块114，用于将各组相位以及调制参数进行均值融合，以得到最终结果。

可以理解的是，本实施例中的各功能模块的具体操作方法可参照上述方法实施例中相应步骤的详细描述，在此不再重复赘述。

为了验证本申请的有效性和实时性，申请人通过实际实验对所提算法和传统算法做了比较，请参阅图10和图11，图10和图11分别是使用申请人提供算法和传统算法对石膏像进行三维重建的结果。图10为通过申请人提供算法重构的石膏像的三维正视图和侧视图，图11为通过传统算法重构的石膏像的三维正视图和侧视图。和石膏像三维真值比较，两种算法重建结果的相位均方误差都在10e-4数量级，因此新提算法的有效性可以得到证明。关于本申请的实时性问题，申请人同样使用所提算法和传统算法做了比较，从结果可以看出，申请人所提算法是传统算法速度的四倍左右，因此，在实时性方面所提算法要明显优于传统算法。

上所述，本申请实施例提供了基于多个二维查找表的相位获取方法、装置及电子设备100。先将获取到的图像信息分至特定的组别，然后分组别具体讨论，各组通过预先建立好的两个二维查找表和一个补偿查找表计算得到对应的相位以及调制参数，最后将各组相位以及调制参数进行均值融合。如此，简化了计算过程和计算的复杂度，使得相位获取耗时减少。

以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法，其特征在于，所述方法包括：

通过投影装置将预设条纹图投射到目标物体上，以产生调制后的变形条纹图，其中投射的图像总数量是有一定要求的；

获取所述变形条纹图，将条纹图按照一定规则分组；

根据预先建立好的多个查找表和补偿算法获取各组变形条纹图的相位及调制参数；

将获取到的各组相位及调制参数进行均值融合，以获取最终的相位及调制参数信息；

其中补偿算法具体步骤包括：

对各分组的相位针对两类误差进行补偿，分别是高斯白噪声误差和非线性误差，其中两个补偿算法无顺序要求，针对高斯白噪声误差，需要对各组相位做以下操作：

其中，

是被高斯白噪声污染的第m组相位；

针对非线性误差，需要对各种相位做以下操作：

其中

是被非线性误差污染过的第m组相位，mod是取模操作，其中Sm和Cm分别以下式求出：

其中I_m+kM是指第m+kM张变形条纹图，其中

其中各组的原始相位和调制信息的获取方式如下所示：

其中φ_m是未经补偿前的第m组原始相位，B_m是个第m组的调制信息；于是获取各组相位和调制信息的两个查找表分别可以通过下述方式建立：

以K＝3为例：

其中MLUT是调制信息查找表，PLUT^(m)是第m组的相位查找表，两个查找表都是二维的；其中

将所述各组相位和调制信息均值融合的操作具体如下所示：

等式左边分别是最终的整体的调制信息和相位，其中φ_m是补偿后的第m组原始相位，B_m是第m组的调制信息。

2.根据权利要求1所述的基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法，其特征在于，对所述投射的图像总数量的要求包括：

图像总数量N必须大于2；

图像总数量N能够被分为N＝KM的形式，其中K为3、4或者6，是每组图像的数量，M为组别的数量。

3.根据权利要求1所述的基于多个二维查找表的相位和调制信息获取方法，其特征在于，其中变形条纹图的分组规则为：

将N张变形条纹图分为M组，其中每组有K张变形条纹图，K是3、4、6中的一个数值，

每组条纹图如下：

G_m＝{I_n|n＝m+kM and k∈[0，K-1]}

其中Gm为第m组包含的变形图，共K张；In为第n张变形条纹图，M为组别的总数量。

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