CN111307066B

CN111307066B - 一种分区间处理的相位展开方法

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Publication number: CN111307066B
Application number: CN202010159144.7A
Authority: CN
Inventors: 张启灿; 吴周杰; 郭文博; 李乐阳; 刘伊航
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2040-03-09
Also published as: CN111307066A

Abstract

本发明公开了计算机视觉三维测量计算领域的一种分区间处理的相位展开方法，方法的步骤包括：A，获取被测物体的相移条纹图，并计算初始截断相位；B，通过改变相移条纹图的条纹顺序，获取移动截断相位；C，根据预先获取的参考截断相位将被测物体的条纹级次划分区间；D，根据初始截断相位、移动截断相位、对区间进行相位展开。本发明的方法利用相位级次的不同区间去展开对应的相移截断相位，保证所使用的截断相位均为中间区间，因此从源头上避免了相位级次跳变处级次错误误差的产生,特别适合用于对本身具有陡变区域的复杂被测物的测量或对高速动态场景的测量中消除相位展开时级次确定带来的误差。

Description

一种分区间处理的相位展开方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉三维测量计算领域，具体而言，涉及一种分区间处理的相位展开方法。

背景技术

近年来，随着计算机技术的快速发展以及投影和成像器件性能的不断提升，光学三维形貌测量技术得到了越来越多的应用。相移条纹测量方法因为其具有测量速度快，精度高，便于自动化测量等优点，被广泛应用到实际测量中。相移条纹测量方法是将物体形貌信息调制到相移条纹中，通过相移算法解算相位分布，再通过标定将相位信息转化为三维形貌信息。由于相位分布是通过反正切函数运算得到，计算出的相位值被截断在(-π,π]内，因此被称为截断相位。所以需要投影额外的编码结构光来唯一标记截断相位的每一个周期，从而辅助截断相位进行相位展开。利用额外编码结构光解码所得的信息被称为相位级次。但在实际测量环境中，由于系统噪声，镜头离焦以及物体运动等因素的影响，截断相位和相位级次的边沿很难完全对齐，因此很容易出现级次错误误差，而这些级次错误会直接影响到测量的精度。

在过去的研究中，解决此问题的算法绝大多数都是后修正的方法，其中典型的方法有中值滤波算法和单调性探测算法，这两类算法对于级次错误误差宽度较小时能起到很好的修正作用，但当物体表面本身具有跳变时，这两类方法很难区分物体本身的跳变和级次跳变误差，而测量动态场景时，由于物体的运动和投影系统的主动离焦级次误差宽度会增大，此时则更难通过已有方法完全消除级次误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供了一种分区间处理的相位展开方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种多分区间处理的相位展开方法，步骤包括：

A，获取被测物体的相移条纹图，并计算初始截断相位；

B，通过改变相移条纹图的条纹顺序，获取移动截断相位；

C，根据预先获取的参考截断相位将被测物体的条纹级次划分区间；

D，根据初始截断相位、移动截断相位、对区间进行相位展开。

作为本发明的优选方案，预先获取的参考截断相位的获取步骤包括：

投影相移条纹到参考平面，并获取参考平面的相移条纹图；

根据参考平面的相移条纹图和被测物体的条纹级次，计算参考平面的参考截断相位。

作为本发明的优选方案，被测物体的条纹级次是通过投射到被测物体的结构光，计算得到的。

进一步的，步骤B的步骤包括：

依次循环向左移动和循环向右移动所述相移条纹图的条纹顺序，得到所述相移条纹图的N-1个条纹排列顺序；

按照N-1个条纹排列顺序，计算出相应的N-1个移动截断相位。

进一步的，步骤C的步骤包括：

S11，根据初始截断相位确定除左右两个区间以外的中间N-2个区间；

S12，根据初始截断相位的最小值位置获取参考截断相位的区间划分阈值；

S13，根据区间划分阈值划分相位级次的第一个区间和相位级次的第N个区间。

进一步的，中间N-2个区间的计算公式为：

其中，k_n是相位级次的中间N-2个区间，

是N为奇数时的初始截断相位，

是N为偶数时的初始截断相位，N是划分的区间数量，k是相位级次，n是区间的序号。

进一步的，参考截断相位的区间划分阈值计算公式为：

φ_th(x)＝φ_ref(x,y),(x,y)∈C(i),i＝1,2,3....m

其中，φ_ref(x,y)为参考截断相位，C(i)为相位级次为i区域内初始截断相位每行绝对值最小处位置，φ_th(x)为每个级次区域内参考截断相位区间划分阈值。

进一步的，步骤S13中，根据参考截断相位区间划分阈值划分相位级次的第一个区间和相位级次的第N个区间的计算公式为：

n＝1时，

n＝N时，

其中，A(i)为相位级次为i的区域，k₁为相位级次的第一个区间，k_N为相位级次的第N个区间，k为相位级次，n是区间的序号。

作为本发明的优选方案，步骤D中，对区间进行相位展开的计算公式为：

其中，N为奇数时，

是初始截断相位，

是移动截断相位；N为偶数时

是初始截断相位，

是移动截断相位，k₁(x,y)为相位级次的第一个区间，k_N(x,y)为相位级次的第N个区间，k_n(x,y)为相位级次的第n个区间，n＝2,3,…N-1。

基于相同的构思，本发明还提出了一种分区间处理的相位展开系统，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述任一项的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.不同于传统相位展开方法，本发明所述的一种分区间处理的相位展开方法利用相位级次的不同区间去展开对应的相移截断相位，保证所使用的截断相位均为中间区间，因此从源头上避免了相位级次错误误差的产生。

2.由于从源头上避免了相位级次错误误差的产生，因此采用本发明的方法无须采用后修正的方法，当本发明的方法应用于对本身具有陡变区域的复杂被测物的测量时，可以完全消除级次错误误差。

3.由于从源头上避免了相位级次错误误差的产生，因此采用本发明的方法无须采用后修正的方法，当本发明的方法应用于对高速动态场景的测量时，可以完全消除级次错误误差。

附图说明：

图1为本发明一种分区间处理的相位展开方法的流程图；

图2为本发明实施例1中的原理示意图；

图3为本发明实施例1中的相移截断相位；

图4为本发明实施例1中的区间划分示意图；

图5为本发明实施例1中的分区间处理的相位展开示意图；

图6为本发明实施例1中的实物测量流程图；

图7为本发明实施例2中获取的一组动态场景的条纹图；

图8为本发明实施例2中恢复的动态场景相位。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本发明一种分区间处理的相位展开方法的主要步骤如图1所示，包括以下步骤：

第一步，投影N幅条纹图到被测物体，获取每一幅条纹图对应的相移条纹图，被测物体的形貌信息被调制到相移条纹图中，并根据N幅相移条纹图，计算初始截断相位。

由于相移步数为N步，相应的获取的相移条纹图为I₁(x,y)，I₂(x,y)……I_N(x,y)，计算初始截断相位的计算公式如公式(1)所示：

其中，φ(x,y)是初始截断相位，I_n(x,y)是获取的第n幅相移条纹图。

第二步，N为奇数时，依次循环向左移动

幅拍摄到的相移条纹图，依次循环向右移动

幅拍摄到的条纹图；N为偶数时，依次循环向左移动

幅拍摄到的相移条纹图，依次循环向右移动

幅拍摄到的条纹图得到N幅条纹图的N-1个排列顺序，分别按照N-1个排列顺序，带入计算公式(1)计算出每一个排列顺序下的移动截断相位；

第三步，通过投射到被测物体的结构光，根据应用的不同的解码方法获取被测物体的条纹级次。

第四步，投影N幅条纹图到参考平面，获取每一幅条纹图对应的参考平面相移条纹图，并根据参考平面相移条纹图和被测物体的条纹级次，计算参考平面的展开相位和参考截断相位。

参考截断相位的计算公式如公式(2)所示：

φ_ref(x,y)＝Φ_ref(x,y)-2πk(x,y) (2)

其中，φ_ref(x,y)是参考截断相位；Φ_ref(x,y)是参考平面的展开相位；k(x,y)是被测物体的条纹级次。

第五步，根据参考截断相位将每个条纹级次划分成N个区间。

进一步的，将每个条纹级次划分成N个区间，包括以下步骤：

S11，根据初始截断相位确定除左右两个区间以外的中间n-2个区间，中间n-2个区间的计算公式如公式(3)和(4)所示：

其中，k_n是相位级次的中间n-2个区间，

是N为奇数时的初始截断相位，

是N为偶数时的初始截断相位，N是划分的区间数量。

根据初始截断相位每个周期内绝对值最小处位置，获取参考截断相位区间划分阈值，参考截断相位区间划分阈值的计算公式如公式(5)所示：

φ_th(x)＝φ_ref(x,y),(x,y)∈C(i),i＝1,2,3....m (5)

其中，φ_ref(x,y)为参考截断相位，C(i)为相位级次为i区域内初始截断相位每个周期内绝对值最小处位置，φ_th(x)为每个相位级次区域内参考截断相位区间划分阈值。

S13，根据参考截断相位区间划分阈值划分相位级次的第一个区间和相位级次的第N个区间，根据参考截断相位区间划分阈值划分相位级次的第一个区间和相位级次的第N个区间的计算公式如公式(6)所示：

n＝1时，

n＝N时，

其中，A(i)为相位级次为i的区间，k₁为相位级次的第一个区间，k_N为相位级次的第N个区间，k为相位级次。

第六步，根据第一步中计算的初始截断相位、第二步中计算的N-1个移动截断相位值、分别对已划分的N个区间进行相位展开，对N个区间进行相位展开的计算公式如公式(7)所示：

其中，N为奇数时，

是初始截断相位，

是移动截断相位；N为偶数时

是初始截断相位，

实施例2

本实施例展示了对静态场景的相位恢复结果，为了更好的说明本发明方法，本实施例以格雷码加三步相移技术为例进行说明，如图2(a)所示，投影仪分别投影相移条纹和格雷码结构光到被测物体表面，其中相移条纹周期数为4，相移步数为三步，格雷码投影幅数为2。受物体运动以及投影仪离焦等因素的影响，解算到的截断相位和相位级次不能完全对齐，因此会产生级次错误误差，如图2(c)所示。本发明的提出是为了避免级次误差的产生。具体步骤如下：

第一步：通过投射到被测物体表面的相移条纹获取所述被测物体的截断相位。

由于相移步数为三步，相应的获取的三幅变形的条纹图为I₁(x，y)，I₂(x，y)，I₃(x，y)，利用公式(8)计算截断相位。

其中，φ(x,y)是初始截断相位，I₁(x,y)、I₂(x,y)和I₃(x,y)分别为三幅相移条纹图。

第二步：通过改变相移条纹顺序，获取相移截断相位。

通过改变三幅条纹图代入公式(8)的顺序可以获得三组相移量为2π/3的相移截断相位，设定利用顺序[I₂,I₃,I₁]计算得到的截断相位为φ₁(x,y)，设定利用顺序[I₁,I₂,I₃]计算得到的截断相位为φ₂(x,y)，设定利用顺序[I₃,I₁,I₂]计算得到的截断相位为φ₃(x,y)。三组相移截断相位初始相位相差2π/3，因此截断位置正好错开，如图3所示。

第三步：通过投射到被测物体表面的结构光，解算被测物体的条纹级次。

投射到被测物体表面的结构光都可以计算被测物体的条纹级次，本实施例中的结构光采用格雷码，但并不限定于只能采用格雷码。

将格雷码投射到被测物体表面，并拍摄被测物体上格雷码的图案，利用公式(9)-(10)计算条纹级次。

k(x,y)＝j(V(x,y)) (10)

其中，GC_i(x,y)代表拍摄到的第i幅格雷码图案，M代表格雷码幅数，在本实施例中M为2，V(x,y)为十进制解码码字，k(x,y)为条纹级次，j(·)代表查找十进制码字和条纹级次之间的已知映射关系。

第四步：利用参考平面的展开相位构建参考截断相位。

为了获取和解码级次具有相同截断位置的截断相位，首先需要利用传统空间相位展开方法展开参考平面的截断相位，因为参考平面为一标准平面，因此可以直接用空间相位展开算法直接进行展开。在得到参考平面的展开相位Φ_ref(x,y)后，利用公式(11)可以计算获得参考截断相位φ_ref(x,y)。

φ_ref(x,y)＝Φ_ref(x,y)-2πk(x,y) (11)

第五步：利用参考截断相位辅助划分条纹级次区间。

在得到参考截断相位后，可以借助它来将每个条纹级次划分为低，中，高三个区间。区间划分过程如图4所示。

首先，利用公式(12)确定相位级次中间区间k₂(x,y)。

k₂(x,y)＝k(x,y),where|φ₂(x,y)|<π/3 (12)

然后，利用公式(13)获取参考截断相位区间划分阈值。

φ_th(x)＝φ_ref(x,y),(x,y)∈C(i),i＝1,2,3....m (13)

其中，C(i)为相位级次为i区域内φ₂(x,y)每行最小值位置，φ_th(x)为每个级次区域内参考截断相位区间划分阈值。

最后，利用参考截断相位区间划分阈值划分高低区间，如公式(14)所示。

其中，A(i)为相位级次为i的区间，k₁(x,y)为相位级次低区间，k₃(x,y)为相位级次高区间。

第六步：不同条纹级次区间利用对应截断相位进行展开。

有了三组相移截断相位和高中低三个区域相位级次，可以利用公式(15)针对不同条纹级次区间对相应截断相位进行展开。

Φ(x,y)为被测物最终展开相位，展开过程如图5所示，每部分被用于相位展开的级次都是对应展开截断相位的中间部分，因此，级次错误误差可以从源头上被避免。

本实例对实际复杂场景的相位恢复过程如图6所示。对实际场景测量时，使用的是三步相移，每幅条纹图有16个周期，因此格雷码幅数为4。首先三幅相移条纹I₁,I₂,I₃通过改变序列顺序利用公式(8)可以求取相移截断相位φ₁,φ₂,φ₃。然后四幅格雷码利用公式(9)-(10)计算解码级次k，再利用参考平面的展开相位Φ_ref通过公式(11)可以求得参考截断相位φ_ref。接下来，利用公式(12)-(14)可以划分出高中低三个区间相位级次k₁，k₂，k₃。有了三组相移截断相位和高中低三个区间相位级次，最后可以利用公式(15)，针对不同条纹级次区间，对相应截断相位进行展开，得到最终无级次错误误差的展开相位Φ。

实施例3

本发明实施例展示了对高速动态场景的相位恢复结果。测量场景为手掌推倒积木的过程，拍摄回的一组条纹图如图7所示，包括三幅相移的正弦条纹图和四幅格雷码图案。相位解算过程和实例2完全相同，不再累述。但是由于此实施例测量的是动态场景，由于物体本身的运动，拍摄回来的图片帧间会有错位，因此级次错误误差误差的宽度会增加。但因为本发明是采用的预先避免的方式来避免跳变误差，错误的截断相位边沿部分并未参与最终的运算，因此，对动态场景，本发明仍能很好的重建最终的相位，重建结果如图8所示。

需要声明的是以上两个实施例级次解算部分均是采取的格雷码解码方法，针对其他的结构光辅助解码方法如二进制条纹，phase-coding等方法，在解算到相位级次后均可直接使用本发明去进行相位展开，从而避免掉级次错误误差的产生。因此，结合其他结构光辅助解码方法来运用本发明均属于本发明保护范围内。

对本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。