CN112146596A - 一种最优量化相位编码三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种最优量化相位编码三维测量方法，由相移法基本原理、相位编码方法基本原理和相位解包裹原理三大部分组成。步骤包括：首先利用计算机生成四幅正弦条纹图和四幅量化相位编码条纹图；其次通过特定的编码序列来调制量化编码相位，特定的编码序列可以有效提高解码的准确性；然后将特定的量化编码相位嵌入正弦条纹图中，再利用一个特定的虚拟平面求解出最终的条纹级次，继而得到物体的绝对相位；最后利用相位‑高度转换公式得到物体真实的三维信息。本方法可以产生较多的码字，有较强的鲁棒性，由于使用特定的虚拟平面连接分段条纹级次，无需投影额外条纹图，提高了测量速度，且对复杂物体的三维测量具有潜在的应用前景和实用价值。

Description

一种最优量化相位编码三维测量方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，具体涉及一种最优量化相位编码三维测量方法。

背景技术

随着现代工业与信息技术的快速发展，对物体的三维测量的速度和精度要求越来越高。在众多获取物体的三维信息的方法中，光学的三维测量技术广泛涉及光学成像、计算机技术、光电子信息、图像处理等各类学科，并具有集其它测量方法的优势于一体的特点，逐渐成为三维形貌测量领域的趋势。光学三维测量技术实际上是用二维投影图像重建三维物体的面形，即从二维投影图像中获取信息，进而通过对数字信息的处理得出物体三维空间内的几何尺寸。其中基于光栅条纹投影的三维测量方法是光学三维测量方法中热门的测量方法之一，对于获取三维表面信息具有不可替代的优越性，近年来在实用性和商业性的应用中取得显著的进展。

传统的相位编码方法最少需要六幅图能才求得绝对相位，但是由于传统的相位编码方法在码字较多的时候容易求解错误，因此研究者们提出了分段相位编码方法，以双步相位编码方法为例，需要投影额外的一组相位编码条纹图来连接分段条纹级次，增加了投影条纹图数目。后来学者们又提出了量化相位编码方法，解决了传统方法码字少的问题，但仍然需要投影额外的条纹图来求解最终的条纹级次。因此，如何采用更少的投影条纹帧数来求解待测物绝对相位成为了突破口。

本发明提出一种最优量化相位编码三维测量方法，在(0,2π)内将量化等级提高到最优，增大了码字的数量，相比于传统的相位编码方法，具有较高的测量精度和速度，在快速测量领域中具有潜在的应用前景和实用价值。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种最优量化相位编码三维测量方法，此方法利用特定编码序列量化编码相位，相邻相位之差大于等于3，在(0,2π)内将量化等级设置为最优(L＝7)，比传统相位编码方法产生更多的码子，且耗时短，测量精度高，在复杂物体的三维测量领域中具有潜在的应用前景和实用价值。

本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种最优量化相位编码三维测量方法，该方法包括下列步骤：

步骤一、利用计算机生成四幅正弦条纹图和四幅量化相位编码条纹图；

步骤二、利用特定的编码序列来调制量化编码相位，特定的编码序列可以有效提高解码的准确性；

步骤三、将特定的量化编码相位嵌入正弦条纹图中，利用相机捕获的八幅条纹图求得包裹相位和分段条纹级次；

步骤四、利用一个特定的虚拟平面将分段条纹级次连接成最终连续的条纹级次，继而得到物体的绝对相位；

步骤五、通过获得的绝对相位，再利用相位-高度转换公式得到待测物体真实的三维信息。

优选的，所述的步骤一中计算机生成的四幅正弦条纹图分别表示为I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)，其四幅图的光学表达式分别为：

其中A(x,y)为背景光强，B(x,y)为调制强度，T为条纹周期数。

优选的，所述步骤一中计算机生成的四幅量化相位编码条纹图分别表示为I₅(x,y)、I₆(x,y)、I₇(x,y)、I₈(x,y)，其四幅图的光学表达式分别为：

优选的，所述步骤一中4幅量化相位编码条纹图，其量化编码相位

可以用下式表示:

其中，M为量化等级，floor[x]为向下取整函数，p为条纹间距或一个条纹周期内的像素数，CS[x]为计算得到编码序列CS的第x个码字。

优选的，所述步骤二中四幅量化相位编码条纹图，其编码序列CS表示为：

CS＝"03625140362514......" (10)

其中，量化等级M＝7，保证相邻码字之差大于等于3，将整个条纹周期分为N段，每一段的量化编码相位由编码序列CS调制获得。

优选的，所述步骤三中利用相机捕获的八幅条纹图求得包裹相位和分段条纹级次；，其包裹相位求解方法如下：

优选的，所述步骤三中利用相机捕获的八幅条纹图求得包裹相位和分段条纹级次；，其条纹级次求解方法如下：

首先，利用公式(12)计算得到量化编码相位：

然后，利用公式(13)得到最终的量化编码相位码字：

再利用以下算法确定分段条纹级次：

优选的，所述步骤四的具体实施方法为：利用一个特定的虚拟平面将分段条纹级次连接成最终连续的条纹级次：

首先利用公式(15)设计一条虚拟直线，在通过公式(16)获得虚拟平面：

y＝(1/(m/a))x (15)

P_virtual(x,y)＝repmat(y,n,1) (16)

其中a为分段条纹级次台阶总数，m为摄像机捕获图像水平方向的最大像素数，n为摄像机捕获图像竖直方向的最大像素数，repmat(y,n,1)表示将矩阵y复制成n×1块。

再利用公式(17)求得条纹级次k₂。

k₂(x,y)＝round[P_virtual(x,y)-k₁(x,y)] (17)

其中round[x]为取整函数。

求得k₂(x,y)之后，通过公式(18)可以求得最终条纹级次k(x,y)。

k(x,y)＝k₁(x,y)+k₂(x,y) (18)

得到条纹级次后，利用公式(19)求得最终的绝对相位：

优选的，所述步骤五的具体实施方法为：通过获得的所述绝对相位，进行相位-高度转换，利用公式(20)得到待测物体真实的高度信息：

其中f₀为参考平面上的正弦条纹频率，Δφ为待测物体表面和参考平面对应点的绝对相位差，d为投影仪和摄像机之间的距离，L为投影仪和摄像机到参考平面的距离。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)利用特定编码序列量化编码相位，相邻相位之差大于等于3，在(0,2π)内将量化等级设置为最优(L＝7)，比传统相位编码方法产生更多的码字，且耗时短，测量精度高。

(2)由于使用相位而不是强度来确定码字，对表面对比度、环境光和相机噪声不敏感，具有较强的鲁棒性；

(3)利用一个虚拟平面连接分段条纹级次，无需投影额外的条纹图，相比于传统的双步相位编码方法和格雷码加相位编码方法，投影条纹幅数更少，测量速度更快。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中用于三维测量的测量系统示意图；

图2为本发明实施例中生成的四幅正弦条纹图、四幅相位编码条纹图，其中图中(a)为正弦条纹图I₁(x,y)，(b)为正弦条纹图I₂(x,y)，(c)为正弦条纹图I₃(x,y)，(d)为正弦条纹图I₄(x,y)，(e)为相位编码条纹图I₅(x,y)，(f)为相位编码条纹图I₆(x,y)，(g)为相位编码条纹图I₇(x,y)，(h)为相位编码条纹图I₈(x,y)；

图3为本发明实施例中待测物体的包裹相位与量化编码相位的某一行；

图4为本发明实施例中待测物体的条纹级次与包裹相位的某一行。其中k₁为分段条纹级次，k₂为利用虚拟平面求得的条纹级次，k为最终的条纹级次。

图5为本发明实施例中待测物体的绝对相位图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的一种最优量化相位编码三维测量方法的光学三维测量系统如图1所示，包括DLP投影仪1、CCD相机2、计算机3、测量支架4、参考平面5和待测物体6。DLP投影仪1和CCD相机2放在测量支架4上；DLP投影仪1、CCD相机2分别通过数据线连接计算机3；待测物体6放在参考平面5上；计算机3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。DLP投影仪1将带有特征信息的条纹聚焦投射到待测物体6表面，由CCD相机2采集条纹信息，经过计算机3处理后提取出特征信息，并按照特定算法进行三维重建。

本发明的一种最优量化相位编码三维测量方法，步骤如下：

步骤一、利用计算机生成四幅正弦条纹图和四幅量化相位编码条纹图；分别表示为I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)，其四幅图的光学表达式分别为：

其中A(x,y)为背景光强，B(x,y)为调制强度，T为条纹周期数。

步骤二、利用特定的编码序列来调制量化编码相位，四幅量化相位编码条纹图，其量化编码相位

可以用下式表示:

其中，M为量化等级，floor[x]为向下取整函数，p为条纹间距或一个条纹周期内的像素数，CS[x]为计算得到编码序列CS的第x个码字。

四幅量化相位编码条纹图，其编码序列CS表示为：

CS＝"03625140362514......" (10)

其中，量化等级M＝7，保证相邻码字之差大于等于3，将整个条纹周期分为N段，每一段的量化编码相位由编码序列CS调制获得。

步骤三、将特定的量化编码相位嵌入正弦条纹图中，利用相机捕获的八幅条纹图求得包裹相位和分段条纹级次，其包裹相位利用公式(11)获得：

其条纹级次求解方法如下：

首先，利用公式(12)计算得到量化编码相位：

然后，利用公式(13)得到最终的量化编码相位码字：

再利用以下算法确定分段条纹级次：

步骤四、利用一个特定的虚拟平面将分段条纹级次连接成最终连续的条纹级次，继而得到物体的绝对相位；

首先利用公式(15)设计一条虚拟直线，在通过公式(16)获得虚拟平面：

y＝(1/(m/a))x (15)

P_virtual(x,y)＝repmat(y,n,1) (16)

其中a为分段条纹级次台阶总数，m为摄像机捕获图像水平方向的最大像素数，n为摄像机捕获图像竖直方向的最大像素数，repmat(y,n,1)表示将矩阵y复制成n×1块。

再利用公式(17)求得条纹级次k₂。

k₂(x,y)＝round[P_virtual(x,y)-k₁(x,y)] (17)

其中round[x]为取整函数。

求得k₂(x,y)之后，通过公式(18)可以求得最终条纹级次k(x,y)。

k(x,y)＝k₁(x,y)+k₂(x,y) (18)

得到条纹级次后，利用公式(19)求得最终的绝对相位：

步骤五、通过获得的所述绝对相位，进行相位-高度转换，利用公式(20)得到待测物体真实的高度信息：

其中f₀为参考平面5上的正弦条纹频率，Δφ为待测物体6表面和参考平面5对应点的绝对相位差。d为DLP投影仪1和CCD相机2之间的距离，L为DLP投影仪1和CCD相机2到参考平面5的距离。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (9)

1.一种最优量化相位编码三维测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、利用计算机生成四幅正弦条纹图和四幅量化相位编码条纹图；

步骤二、利用特定的编码序列来调制量化编码相位，特定的编码序列可以有效提高解码的准确性；

步骤三、将特定的量化编码相位嵌入正弦条纹图中，利用相机捕获的八幅条纹图求得包裹相位和分段条纹级次；

步骤四、利用一个特定的虚拟平面将分段条纹级次连接成最终连续的条纹级次，继而得到物体的绝对相位；

步骤五、通过获得的绝对相位，再利用相位-高度转换公式得到待测物体真实的三维信息。

2.根据权利要求1所述的一种最优量化相位编码三维测量方法，其特征在于，所述的步骤一中计算机生成的四幅正弦条纹图分别表示为I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)，其四幅图的光学表达式分别为：

其中A(x,y)为背景光强，B(x,y)为调制强度，T为条纹周期数。

3.根据权利要求1所述一种最优量化相位编码三维测量方法，其特征在于，所述的步骤一中计算机生成的四幅量化相位编码条纹图分别表示为I₅(x,y)、I₆(x,y)、I₇(x,y)、I₈(x,y)，其四幅图的光学表达式分别为：

4.根据权利要求1所述的一种最优量化相位编码三维测量方法，其特征在于：步骤一中所述4幅量化相位编码条纹图，其量化编码相位

可以用下式表示:

其中，M为量化等级，floor[x]为向下取整函数，p为条纹间距或一个条纹周期内的像素数，CS[x]为计算得到编码序列CS的第x个码字。

5.根据权利要求4所述的一种最优量化相位编码三维测量方法，其特征在于：步骤二所述四幅量化相位编码条纹图，其编码序列CS表示为：

CS＝"03625140362514......" (10)

其中，量化等级M＝7，保证相邻码字之差大于等于3，将整个条纹周期分为N段，每一段的量化编码相位由编码序列CS调制获得。

6.根据权利要求1所述的一种最优量化相位编码三维测量方法，其特征在于：步骤三所述利用相机捕获的八幅条纹图求得包裹相位和分段条纹级次，其包裹相位求解方法如下：

7.根据权利要求1所述的一种最优量化相位编码三维测量方法，其特征在于：步骤三所述利用相机捕获的八幅条纹图求得包裹相位和分段条纹级次，其条纹级次求解方法如下：

首先，利用公式(12)计算得到量化编码相位：

然后，利用公式(13)得到最终的量化编码相位码字：

再利用以下算法确定分段条纹级次：

8.根据权利要求1所述的一种最优量化相位编码三维测量方法，其特征在于：步骤四所述利用一个特定的虚拟平面将分段条纹级次连接成最终连续的条纹级次，其特征在于：

首先利用公式(15)设计一条虚拟直线，在通过公式(16)获得虚拟平面：

y＝(1/(m/a))x (15)

P_virtual(x,y)＝repmat(y,n,1) (16)

其中a为分段条纹级次台阶总数，m为摄像机捕获图像水平方向的最大像素数，n为摄像机捕获图像竖直方向的最大像素数，repmat(y,n,1)表示将矩阵y复制成n×1块。

再利用公式(17)求得条纹级次k₂。

k₂(x,y)＝round[P_virtual(x,y)-k₁(x,y)] (17)

其中round[x]为取整函数。

求得k₂(x,y)之后，通过公式(18)可以求得最终条纹级次k(x,y)。

k(x,y)＝k₁(x,y)+k₂(x,y) (18)

得到条纹级次后，利用公式(19)求得最终的绝对相位：

9.根据权利要求1所述的一种最优量化相位编码三维测量方法，其特征在于，所述步骤五的具体实施方法为：通过获得的所述绝对相位，进行相位-高度转换，利用公式(20)得到待测物体真实的高度信息：

其中f₀为参考平面上的正弦条纹频率，Δφ为待测物体表面和参考平面对应点的绝对相位差，d为投影仪和摄像机之间的距离，L为投影仪和摄像机到参考平面的距离。

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