CN112330771A - 一种用于快速三维测量的pcps条纹图案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于快速三维测量的PCPS条纹图案设计方法。首先对于标准的四步相移条纹图案，利用相移条纹图案间的光强冗余，通过修改条纹图案中的直流分量将辅助信息嵌入到条纹图案中。然后选择将二值散斑图案作为辅助信息嵌入到条纹图案中。与原始PCPS条纹图案中的一维斜坡信号相比，二维散斑图案由于对镜头离焦不敏感，从而适合应用于二值离焦投影测量系统。基于所提出的PCPS条纹图案设计方法，可以保证所生成的复合条纹图案既不会损失条纹图的质量，也确保辅助信息的高质量恢复。

Description

一种用于快速三维测量的PCPS条纹图案设计方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种用于快速三维测量的PCPS条纹图案设计方法。

背景技术

近年来，高速三维形状测量技术被广泛应用于各个领域如生物力学、智能监控、机器人导航、工业质量控制等人机交互。在许多最先进的方法中，条纹投影法轮廓测量法(FPP)基于结构化光和三角测量原理，已被证明是最有前途的技术之一，由于其固有的优势非接触式、高精度、高效率、低成本。主流的FPP技术一般可以分为两类:傅里叶变换轮廓术(FTP)和相移轮廓术(PSP)。FTP非常适合动态3D采集并能提供相位图使用单一条纹模式。但它受到频谱重叠的影响，限制了其测量精度，使得该方法难以恢复被测物体的精细结构。相比之下，PSP对环境照明和改变表面性质，可以实现逐像素的具有高精度的相位测量，但它通常需要多个条纹图案来重建物体的三维形貌。

为了实现快速三维测量，研究人员通过修改条纹图案中的直流分量A(x,y)或调制度B(x,y)将附加信息嵌入到条纹图案中。例如，Lohry等人通过将B(x,y)调整为0.25或0.5，将二值散斑信号嵌入三步相移条纹图案中(W.Lohry and S.Zhang,“High-speed absolutethree-dimensional shape measurement using three binary dithered patterns,”Opt.Express 22(22),26752–26762(2014).)。陶等人选择三角波作为编码信号，并修改A(x,y)来编码条纹图案(T.Tao,Q.Chen,J.Da,S.Feng,Y.Hu,and C.Zuo,“Real-time 3-Dshape measurement with composite phase-shifting fringes and multi-viewsystem,”Opt.Express 24(18),20253–20269(2016).)。但是，为了确保复合条纹图的光强值不超出范围[0,1]，这些方法必须减小B(x,y)的幅度，这影响了所获得的相位图的质量。为了嵌入散斑信号而不降低条纹图案的幅度B(x,y)，张等人充分利用了三步相移条纹图案中的有限冗余(Y.Zhang,Z.Xiong,and F.Wu,“Unambiguous 3D measurement fromspeckle-embedded fringe,”Appl.Opt.52(32),7797–7805(2013).)。对于相移轮廓术(PSP)，嵌入散斑的方法将三步相移条纹图案的理论最小值应用到绝对相位恢复中，这大大改善了3D测量的效率。然而，嵌入的散斑图案质量低并且基本上易受环境照明的影响，从而影响相关结果，因此仍然需要复杂的后处理算法来产生更可靠的相位展开结果。为了解决这个问题，王等人通过将额外的斜坡信号嵌入标准的四步相移模式，开发了一种周期编码的相移算法(Y.Wang,K.Liu,Q.Hao,D.L.Lau,and L.G.Hassebrook,“Period coded phaseshifting strategy for real-time3-D structured light illumination,”IEEETransactions on Image Processing 20(11),3001–3013(2011).)。但是斜坡信号易受噪声影响，使得边缘的周期一般限制在很小的范围内(≤20)，这使得三维测量精度受到限制。鉴于此，王的方法不适用于具有一定离焦量的高速二元离焦投影系统，该系统很难产生理想的低频条纹图案。因此，应谨慎选择辅助信号的类型。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种用于快速三维测量的PCPS条纹图案设计方法。

本发明的技术方案如下：一种用于快速三维测量的PCPS条纹图案设计方法，其特征在于如下步骤：

步骤一：对于标准的四步相移条纹图案，利用相移条纹图案间的光强冗余，通过修改条纹图案中的直流分量将辅助信息嵌入到条纹图案中；

步骤二：选择将二值散斑图案作为辅助信息嵌入到条纹图案中；

步骤三：生成复合条纹图案。

优选的，步骤一中，标准的四步相移条纹图案可以描述为：

I_n(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(Φ(x,y)-2πn/4)

A(x,y)为直流分量，B(x,y)为条纹的调制度,Φ(x,y)为待求相位，2πn/4是相位的偏移量，A(x,y)和B(x,y)设置为0.5，I_n(x,y)的值范围从0到1。

优选的，步骤一中，通过修改条纹图案中的直流分量将辅助信息嵌入到条纹图案中，具体为：

其中C_n(x,y)(n＝0,1,2,3)表示为嵌入到原始条纹图中的编码信息。根据最小二乘算法，可以获得包裹相位图

编码信号满足：C₀(x,y)＝C₂(x,y)，C₁(x,y)＝C₃(x,y)，

的值在0到1之间，-I_n(x,y)≤C_n(x,y)≤1-I_n(x,y)，且：

max(-I₀(x,y),-I₂(x,y))≤C₀(x,y)≤min(1-I₀(x,y),1-I₂(x,y))

max(-I₁(x,y),-I₃(x,y))≤C₁(x,y)≤min(1-I₁(x,y),1-I₃(x,y))

嵌入的辅助信息D(x,y)可以解调得到：

D_inf(x，y)≤D(x，y)≤D_sup(x，y)

D_inf(x,y)≤D(x,y)≤D_sup(x,y)

D_inf(x,y)＝2[max(-I₀(x,y),-I₂(x,y))-min(1-I₁(x,y),1-I₃(x,y))]

D_sup(x,y)＝2[min(1-I₀(x,y),1-I₂(x,y))-max(-I₁(x,y),-I₃(x,y))]

D(x,y)在x轴上的取值，其动态范围为[-0.5,0.5]。

本发明的有益效果是：本发明基于所提出的PCPS条纹图案设计方法，可以保证所生成的复合条纹图案既不会损失条纹图的质量，也确保辅助信息的高质量恢复。

附图说明

图1为本发明实施例的数字病理系统示意图。

图2为本发明实施例所提出的斜坡信号与编码信号图。

图3为本发明实施例所提出的嵌入散斑的四步相移算法图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本实施例提出了一种用于快速三维测量的PCPS条纹图案设计方法，首先对于标准的四步相移条纹图案，利用相移条纹图案间的光强冗余，通过修改条纹图案中的直流分量将辅助信息嵌入到条纹图案中。然后选择将二值散斑图案作为辅助信息嵌入到条纹图案中。与原始PCPS条纹图案中的一维斜坡信号相比，二维散斑图案由于对镜头离焦不敏感，从而适合应用于二值离焦投影测量系统。基于所提出的PCPS条纹图案设计方法，可以保证所生成的复合条纹图案既不会损失条纹图的质量，也确保辅助信息的高质量恢复。本方法包括以下三个步骤。

步骤一：标准的四步相移条纹图案可以描述为：

I_n(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(Φ(x,y)-2πn/4)

A(x,y)为直流分量，B(x,y)为条纹的调制度,Φ(x,y)为待求相位。2πn/4是相位的偏移量。为了最大化信噪比(SNR)并使光强图案I_n(x,y)归一化，将A(x,y)和B(x,y)设置为0.5，以便I_n(x,y)的值范围从0到1。通过修改条纹图案中的直流分量将辅助信息嵌入到条纹图案中，可以描述为：

其中C_n(x,y)(n＝0,1,2,3)表示为嵌入到原始条纹图中的编码信息。根据最小二乘算法，可以获得包裹相位图

为了确保提取到的包裹相位不受嵌入的编码信号所影响，编码信号应满足：

C₀(x,y)＝C₂(x,y)

C₁(x,y)＝C₃(x,y)

此外，

的值也应该在0到1之间。所以我们有:

-I_n(x,y)≤C_n(x,y)≤1-I_n(x,y)

结合上述两式可以得出：

max(-I₀(x,y),-I₂(x,y))≤C₀(x,y)≤min(1-I₀(x,y),1-I₂(x,y))

max(-I₁(x,y),-I₃(x,y))≤C₁(x,y)≤min(1-I₁(x,y),1-I₃(x,y))

此外，嵌入的辅助信息D(x,y)可以解调得到:

因此，可以得到：

D_inf(x,y)≤D(x,y)≤D_sup(x,y)

D_inf(x,y)＝2[max(-I₀(x,y),-I₂(x,y))-min(1-I₁(x,y),1-I₃(x,y))]

D_sup(x,y)＝2[min(1-I₀(x,y),1-I₂(x,y))-max(-I₁(x,y),-I₃(x,y))]

根据此公式，我们可以得到D(x,y)在x轴上的取值，其动态范围为[-0.5,0.5]。值得注意的是，由于D(x,y)的相对幅度为1，因此嵌入的辅助信息D(x,y)的质量得到了很大的改善。但是，设计的编码信号C₀(x,y)和C₁(x,y)也变得不再光滑，对镜头散焦很敏感。由于原始PCPS条纹图案中的一维斜坡信号易受噪声影响，因此条纹图案的频率一般限制在很小的范围内(≤20)，这使得三维测量精度受到限制。鉴于此，原始PCPS条纹图案不适用于具有一定离焦量的高速二元离焦投影系统，该系统比高频系统更难产生理想的低频条纹图案。因此，应谨慎选择辅助信号的类型。

步骤二：为了克服上述问题，我们选择了二值散斑图案作为辅助信息来代替原始的斜坡信息。与原始PCPS条纹图案中的一维斜坡信号相比，二维散斑图案由于对镜头离焦不敏感，从而适合应用于二值离焦投影测量系统。

步骤三：基于上述步骤，即所提出的PCPS条纹图案设计方法生成复合条纹图案，可以保证复合条纹图案既不会损失条纹图的质量，也确保辅助信息的高质量恢复。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种用于快速三维测量的PCPS条纹图案设计方法，其特征在于如下步骤：

步骤一：对于标准的四步相移条纹图案，利用相移条纹图案间的光强冗余，通过修改条纹图案中的直流分量将辅助信息嵌入到条纹图案中；

步骤二：选择将二值散斑图案作为辅助信息嵌入到条纹图案中；

步骤三：生成复合条纹图案。

2.根据权利要求1所述的用于快速三维测量的PCPS条纹图案设计方法，其特征在于步骤一中，标准的四步相移条纹图案可以描述为：

I_n(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(Φ(x,y)-2πn/4)

A(x,y)为直流分量，B(x,y)为条纹的调制度,Φ(x,y)为待求相位，2πn/4是相位的偏移量，A(x,y)和B(x,y)设置为0.5，I_n(x,y)的值范围从0到1。

3.根据权利要求1所述的用于快速三维测量的PCPS条纹图案设计方法，其特征在于步骤一中，通过修改条纹图案中的直流分量将辅助信息嵌入到条纹图案中，具体为：

其中C_n(x,y)(n＝0,1,2,3)表示为嵌入到原始条纹图中的编码信息。根据最小二乘算法，可以获得包裹相位图

编码信号满足：C₀(x,y)＝C₂(x,y)，C₁(x,y)＝C₃(x,y)，

的值在0到1之间，-I_n(x,y)≤C_n(x,y)≤1-I_n(x,y)，且：

max(-I₀(x,y),-I₂(x,y))≤C₀(x,y)≤min(1-I₀(x,y),1-I₂(x,y))

max(-I₁(x,y),-I₃(x,y))≤C₁(x,y)≤min(1-I₁(x,y),1-I₃(x,y))

嵌入的辅助信息D(x,y)可以解调得到：

D_inf(x，y)≤D(x，y)≤D_sup(x，y)

D_inf(x,y)≤D(x,y)≤D_sup(x,y)

D_inf(x,y)＝2[max(-I₀(x,y),-I₂(x,y))-min(1-I₁(x,y),1-I₃(x,y))]

D_sup(x,y)＝2[min(1-I₀(x,y),1-I₂(x,y))-max(-I₁(x,y),-I₃(x,y))]

D(x,y)在x轴上的取值，其动态范围为[-0.5,0.5]。

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