CN113532325B - 动态步数解相方法、电子设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

动态步数解相方法、电子设备及计算机可读存储介质 Download PDF

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CN113532325B CN202110638332.2A CN202110638332A CN113532325B CN 113532325 B CN113532325 B CN 113532325B CN 202110638332 A CN202110638332 A CN 202110638332A CN 113532325 B CN113532325 B CN 113532325B
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Abstract

本申请公开了一种动态步数解相方法、电子设备及计算机可读存储介质。本申请的动态步数解相方法包括：根据正弦相移条纹图案生成第一投射光，并将所述第一投射光投射至待测物体表面；接收在所述待测物体表面反射后的所述第一投射光，根据接收到的所述第一投射光进行相位求解得到包裹相位；根据格雷码图案生成第二投射光，将所述第二投射光投射至所述待测物体表面；接收在所述待测物体表面反射后的所述第二投射光，根据接收到的所述第二投射光得到对应的格雷码；根据所述包裹相位、所述格雷码得到绝对相位值。本申请所提供的方法通过分别调制生成与正弦相移条纹图案、格雷码图案对应的投射光，并对反射后的投射光分别进行解调，以得到最终的绝对相位值。

Description

动态步数解相方法、电子设备及计算机可读存储介质
技术领域
本申请涉及光学三维测量技术领域，尤其涉及一种动态步数解相方法、电子设备及计算机可读存储介质。
背景技术
在相关技术中，一般通过主动式测量系统投射包含有对光源场相位的调制信息的条纹图像，并通过对被测物体表面反射后接收到的条纹图像进行求解，以得到三维测量结果。
此外，通过对被测物体投影多幅不同频率的条纹图，可获取充足的编码信息，以进行相位解调。然而，对接收到的条纹图像进行解调的过程中，解调得到的相位容易受到环境光的影响，使得三维测量结果的精度降低。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种动态步数解相方法、电子设备及计算机可读存储介质。本申请所提供的动态步数解相方法，可通过分别调制生成与正弦相移条纹图案、格雷码图案对应的投射光，并对反射后的投射光分别进行解调，以得到最终的绝对相位值，从而减少环境光对测量结果的影响。
本申请实施例第一方面提供一种动态步数解相方法，包括：根据正弦相移条纹图案生成第一投射光，并将所述第一投射光投射至待测物体表面；接收在所述待测物体表面反射后的所述第一投射光，根据接收到的所述第一投射光进行相位求解得到包裹相位；根据格雷码图案生成第二投射光，将所述第二投射光投射至所述待测物体表面；接收在所述待测物体表面反射后的所述第二投射光，根据接收到的所述第二投射光得到对应的格雷码；根据所述包裹相位、所述格雷码得到绝对相位值。
本申请实施例中动态步数解相方法包括如下技术效果：通过分别调制生成与正弦相移条纹图案、格雷码图案对应的投射光，并对反射后的投射光分别进行解调，以得到最终的绝对相位值。此外，通过两者相结合，以减少环境光对测量结果的影响。
在一些实施例中，所述根据接收到的所述第一投射光进行相位求解得到包裹相位，包括：对初始相移公式进行展开得到相移展开公式；根据最小二乘法对所述相移展开公式、过曝因子进行求解得到光强偏差平方和；对所述光强偏差平方和进行偏导求解得到参数值，根据所述参数值求解得到包裹相位。
在一些实施例中，所述相移展开公式，包括：
Figure BDA0003106079960000021
其中，a0(x,y)＝I'(x,y)；
Figure BDA0003106079960000022
σi为相移；Ii(x,y)为第i张所述正弦相移条纹图案中像素坐标(x,y)处的光强强度；I'(x,y)为平均灰度；I”(x,y)为条纹幅值；i为相移步数；
Figure BDA0003106079960000023
为待求解的包裹相位。
在一些实施例中，所述根据最小二乘法对所述相移展开公式、过曝因子进行求解得到光强偏差平方和，还包括：
Figure BDA0003106079960000024
其中，ε为所述光强偏差平方和，δi(x,y)为所述过曝因子。
在一些实施例中，所述根据最小二乘法对所述相移展开公式、过曝因子进行求解得到光强偏差平方和，还包括：对所述平均灰度与灰度阈值进行比较得到比较结果；根据所述比较结果得到对应的所述过曝因子；根据最小二乘法对所述相移展开公式、对应的所述过曝因子求解得到所述光强偏差平方和。
在一些实施例中，所述对所述光强偏差平方和进行偏导求解得到参数值，根据所述参数值求解得到包裹相位，还包括：对所述光强偏差平方和进行偏导求解得到对应的偏导矩阵；根据所述偏导矩阵求解得到参数值；根据反正切函数对参数值求解得到包裹相位。
在一些实施例中，所述根据接收到的所述第二投射光得到对应的格雷码，包括：接收所述第二投射光，并得到对应的格雷码图像；对所述格雷码图像进行二值化处理，并对二值化处理后的所述格雷码图像的相位误差进行中值滤波；根据中值滤波后的所述格雷码图像得到对应的所述格雷码。
在一些实施例中，所述根据所述包裹相位、所述格雷码得到绝对相位值，包括
根据所述格雷码得到对应的解码值；根据所述包裹相位、所述解码值得到所述绝对相位值。
本申请实施例第二方面提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现：如上述任一实施例中所述的动态步数解相方法。
本申请实施例第三方面提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于：执行上述任一实施例中所述的动态步数解相方法。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：
图1为本申请一实施例一种动态步数解相方法的流程图；
图2A至图2H为本申请一实施例的正弦相移条纹图案的变形示意图；
图3为本申请另一实施例一种动态步数解相方法的流程图；
图4为本申请又一实施例一种动态步数解相方法的流程图；
图5为本申请再一实施例一种动态步数解相方法的流程图；
图6A至图6F为本申请又一实施例的格雷码图像的变形示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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申请和简化描述，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申请的限制。
在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在相关技术中，一般通过主动式测量系统投射包含有对光源场相位的调制信息的条纹图像，并通过对被测物体表面反射后接收到的条纹图像进行求解，以得到三维测量结果。
其中，对条纹图像进行相位求解主要包括时域、空域两种方式。例如，在空域相位求解的情况下，相位主值图上相邻两点的相位主值是连续变化的，但对于表面较复杂的物体进行检测时，常出现拉线和丢包等问题。
在时域相位求解的情况下，按时间序列投影足够多的不同频率的条纹图像，以获得充足的编码信息，从而解出相位。然而，当条纹图像的数量增加之后，会使得测量速度降低，并且提高对光栅设备的要求、硬件成本和时间成本。
此外，通过对被测物体投影多幅不同频率的条纹图，可获取充足的编码信息，以进行相位解调。然而，对接收到的条纹图像进行解调的过程中，解调得到的相位容易受到环境光的影响，使得三维测量结果的精度降低。
基于上述存在的技术问题之一，本申请提供一种动态步数解相方法，该方法可适用于具有较高要求的应用场景，例如，对反光金属表面的测量。
请参照图1，本申请提供一种动态步数解相方法，包括：步骤S100、根据正弦相移条纹图案生成第一投射光，并将第一投射光投射至待测物体表面；步骤S200、接收在待测物体表面反射后的第一投射光，根据接收到的第一投射光进行相位求解得到包裹相位；步骤S300、根据格雷码图案生成第二投射光，将第二投射光投射至待测物体表面；步骤S400、接收在待测物体表面反射后的第二投射光，根据接收到的第二投射光得到对应的格雷码；步骤S500、根据包裹相位、格雷码得到绝对相位值。
请一并参照图2A至图2H，如图所示，根据正弦相移条纹图案生成第一投射光，并将第一投射光投射至待测物体表面。当携带有正弦相移条纹图案的第一投射光投射至待测物体表面，第一投射光将发生反射，且第一投射光中的正弦相移条纹图案发生变形。其中，正弦相移条纹图案变形与待测物体表面的形态相对应。
如图所示，第一投射光经由待测物体表面调制后，正弦相移条纹图案发生变形，且形变后的正弦相移条纹图案携带有对应的相位信息。通过对形变的正弦相移条纹图案进行解调，以得到对应包裹相位，从而获取待测物体表面的结构信息。即通过对反射后的第一投射光进行接收，并根据与第一投射光对应的变形正弦相移条纹图案进行相位求解，以得到包裹相位。
请一并参照图6A至图6F，进一步地，根据预设的格雷码图案生成第二投射光，并将携带有格雷码图案的第二投射光投射至待测物体表面。当第二投射光在待测试物体表面发生反射，并使得第二投射光中的格雷码图案发生变形。通过接收携带有变形后的格雷码图案的第二反射光，并对相对应的格雷码图案进行解码，以得到对应的格雷码。此外，根据得到的包裹相位、格雷码求解绝对相位值，可获取待测物体物体表面的相位信息。
其中，通过投影仪对第一投射光、第二投射光进行投射，并使用相机对反射后的第一反射光、第二反射光进行接收。通过使用三角法对绝对相位值、投影仪与相机的位置关系进行点云重建，从而得到待检测物体表面的立体结构。
上述动态步数解相方法通过分别调制生成与正弦相移条纹图案、格雷码图案对应的投射光，并对反射后的投射光分别进行解调，以得到最终的绝对相位值。此外，通过两者相结合，以减少环境光对测量结果的影响。
请参照图3，在一些实施例中，步骤S200、根据接收到的第一投射光进行相位求解得到包裹相位，包括：步骤S210、对初始相移公式进行展开得到相移展开公式；步骤S220、根据最小二乘法对相移展开公式、过曝因子进行求解得到光强偏差平方和；步骤S230、对光强偏差平方和进行偏导求解得到参数值，根据参数值求解得到包裹相位。
通过初始相移公式对光强强度、条纹幅值、相移、相移步数、包裹相位之间的关系进行表征，并对初始相移公式进行展开以得到对应的相移展开公式。根据相移展开公式得到正弦相移条纹图案中像素坐标(x,y)处的光强强度与平均灰度的关系，并根据两者关系、过曝因子进行最小二乘法计算，以得到对应于光强偏差平方和ε的求解方程。通过对该求解方程进行偏导求解得到参数值，并根据参数值求解得到包裹相位。
其中，通过对包裹相位、格雷码进行计算得到绝对相位值，从而完成对图像的解调，并得到与待测物体表面相对应的相位信息。
以下结合实施例中初始相位公式、相位展开公式对公式展开的过程进行说明。
例如，对于N步相移的初始相移公式为：
Figure BDA0003106079960000051
其中，Ik(x,y)第k张正弦相移条纹图案中像素坐标(x,y)处的光强强度，I'(x,y)为平均灰度；I”(x,y)为条纹幅值；i为相移步数；
Figure BDA0003106079960000052
为待求解的包裹相位。
通过对初始相移公式进行推导展开得到对于N步相移的相移展开公式，其中，相移展开公式如下：
Figure BDA0003106079960000061
其中，a0(x,y)＝I'(x,y)；
Figure BDA0003106079960000062
σi为相移；Ii(x,y)为第i张正弦相移条纹图案中像素坐标(x,y)处的光强强度；I'(x,y)为平均灰度；I”(x,y)为条纹幅值；i为相移步数；
Figure BDA0003106079960000063
为待求解的包裹相位。
通过对初始相移公式进行推导展开后得到对应的相移展开公式，其中，a0(x,y)、a1(x,y)、a2(x,y)为上述偏导求解的参数值。根据参数值之间的关系进行逆向求解，得到待求解的包裹相位
Figure BDA0003106079960000064
并通过包裹相位
Figure BDA0003106079960000065
计算最终的绝对相位值。
在一些实施例中，根据最小二乘法对相移展开公式、过曝因子进行求解得到光强偏差平方和，还包括：
Figure BDA0003106079960000066
其中，ε为光强偏差平方和，δi(x,y)为过曝因子。可以理解地，当待测物体表面区域反射的光强大于相机的光强量化等级时，导致测量的结果中存在相位误差。通过引入过曝因子δi(x,y)以将接收到的图像中过度曝光区域的点进行剔除，从而使得在相位解调过程中，第一投射光所对应的图像中每一个像素点参与计算的相移图数目不同。即根据像素点是否属于过度曝光，以选择该像素点是否参与相位解调的计算，从而实现动态解调。
请参照图4，在一些实施例中，步骤S220、根据最小二乘法对相移展开公式、过曝因子进行求解得到光强偏差平方和，还包括：步骤S221、对平均灰度与灰度阈值进行比较得到比较结果；步骤S222、根据比较结果得到对应的过曝因子；步骤S223、根据最小二乘法对相移展开公式、对应的过曝因子求解得到光强偏差平方和。
根据实际环境条件对像素点是否过度曝光设置用于判断的灰度阈值，以对像素点进行判断，并得到对应的曝光因子。
例如，
Figure BDA0003106079960000067
基于环境光(或全局光照)对检测精度的影响，将灰度阈值设置为240。即当像素点的灰度值大于240时，与像素点对应的过曝因子δi(x,y)为0；当像素点的灰度值小于或者等于240时，与像素点对应的过曝因子δi(x,y)为1。此外，根据实际环境光的不同，可对灰度阈值进行适应性调节，以选择对应的像素点是否参与相位解调的计算。
请参照图5，在一些实施例中，步骤S230、对光强偏差平方和进行偏导求解得到参数值，根据参数值求解得到包裹相位，还包括：步骤S231、对光强偏差平方和进行偏导求解得到对应的偏导矩阵；步骤S232、根据偏导矩阵求解得到参数值；步骤S233、根据反正切函数对参数值求解得到包裹相位。
其中，a0(x,y)、a1(x,y)、a2(x,y)为上述偏导求解的参数值。根据光强偏差平方和ε对应的公式分别对参数值进行求偏导，以得到对应的偏导矩阵。即
Figure BDA0003106079960000071
例如，
Figure BDA0003106079960000072
Figure BDA0003106079960000073
Figure BDA0003106079960000074
由于在不同正弦相移条纹图中，对应像素位置的灰度值不一样，即式中值过曝因子δi(x,y)不一样，故不能约掉。因此，通过将上式转换为矩阵以进行计算，具体如下。
Figure BDA0003106079960000075
对于公式(8)进行转换则得到式(9)、式(10)
Figure BDA0003106079960000081
Figure BDA0003106079960000082
通过对每一个像素点进行正弦相移条纹图像遍历求和，以得到矩阵A。通过对矩阵A求逆得到矩阵A-1。。通过矩阵A-1。参数化以对参数值a0、a1、a2进行表示。
此外，由于
Figure BDA0003106079960000083
通过对两者进行联立求解得到包裹相位。
由于求解得到的包裹相位为相位主值，且相位主值位于[-π，π]之间。故，通过反正切函数对参数值求解得到包裹相位，公式如下：
Figure BDA0003106079960000084
进一步地，通过对包裹相位展开以求解得到对应的实际的相位值。
在一些实施例中，步骤S400中的根据接收到的第二投射光得到对应的格雷码，包括：步骤S410、接收第二投射光，并得到对应的格雷码图像；步骤S420、对格雷码图像进行二值化处理，并对二值化处理后的格雷码图像的相位误差进行中值滤波；步骤S430、根据中值滤波后的格雷码图像得到对应的格雷码。
请参照图6A至图6F，将携带有格雷码图案的第二投射光投射至待测物体表面，而待测物体表面将对第二投射光中的格雷码图案进行深度调制。当相机接收到被深度调制后的第二投射光后，则对格雷码图像进行二值化处理。对于二值化处理后的格雷码图像中的每一级图像均进行黑白判定，其中，被判定为黑的灰度值对应于0值，被判定为白的灰度值对应于1值。由于黑白分界处存在由于相位跳变等原因所引起的相位误差，通过对相位误差进行中值滤波消除，并根据投射图案的先后顺序进行组合以得到对应的格雷码。
在一些实施例中，步骤S500、根据包裹相位、格雷码得到绝对相位值，包括：步骤S510、根据格雷码得到对应的解码值；步骤S520、根据包裹相位、解码值得到绝对相位值。
通过将格雷码转换为二进制数，并将对应的二进制数转换为十进制数，以得到对应的K值。其中，每一个K值与一个像素点相对应。通过将包裹相位及K值代入公式(12)中，以得到对应的绝对相位值。
Figure BDA0003106079960000091
其中，K(x,y)为像素坐标(x,y)处对应的K值。
此外，当N步相移解调具体为8步时，通过第一投射光投射8幅正弦相移条纹图，第二投射光投射6幅格雷码图，即可完成相位求解与解包裹。
根据包裹相位、解码值得到绝对相位值，以完成待测物体表面的相位解调。通过使用三角法对绝对相位值、投影仪与相机的位置关系进行点云重建，从而得到待检测物体表面的立体结构。
本申请提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现：如上述任一实施例中的动态步数解相方法。
本申请提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于：执行上述任一实施例中的动态步数解相方法。
上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (7)

1.动态步数解相方法，其特征在于，包括：
根据正弦相移条纹图案生成第一投射光，并将所述第一投射光投射至待测物体表面；
接收在所述待测物体表面反射后的所述第一投射光，根据接收到的所述第一投射光进行相位求解得到包裹相位；
根据格雷码图案生成第二投射光，将所述第二投射光投射至所述待测物体表面；
接收在所述待测物体表面反射后的所述第二投射光，根据接收到的所述第二投射光得到对应的格雷码；
根据所述包裹相位、所述格雷码得到绝对相位值；
其中，根据接收到的所述第一投射光进行相位求解得到包裹相位，包括：
对初始相移公式进行展开得到相移展开公式，所述相移展开公式包括，
Figure FDA0004134867660000011
其中，
Figure FDA0004134867660000012
σi为相移；Ii(x,y)为第i张所述正弦相移条纹图案中像素坐标(x,y)处的光强强度；I'(x,y)为平均灰度；I”(x,y)为条纹幅值；i为相移步数；
Figure FDA0004134867660000013
为待求解的包裹相位；
根据最小二乘法对所述相移展开公式、过曝因子进行求解得到光强偏差平方和，还包括，
Figure FDA0004134867660000014
其中，ε为所述光强偏差平方和，δi(x,y)为所述过曝因子；
对所述光强偏差平方和进行偏导求解得到参数值，根据所述参数值求解得到所述包裹相位。
2.根据权利要求1所述的动态步数解相方法，其特征在于，所述根据最小二乘法对所述相移展开公式、过曝因子进行求解得到光强偏差平方和，还包括：
对所述平均灰度与灰度阈值进行比较得到比较结果；
根据所述比较结果得到对应的所述过曝因子；
根据最小二乘法对所述相移展开公式、对应的所述过曝因子求解得到所述光强偏差平方和。
3.根据权利要求1所述的动态步数解相方法，其特征在于，所述对所述光强偏差平方和进行偏导求解得到参数值，根据所述参数值求解得到所述包裹相位，还包括：
对所述光强偏差平方和进行偏导求解得到对应的偏导矩阵；
根据所述偏导矩阵求解得到参数值；
根据反正切函数对参数值求解得到所述包裹相位。
4.根据权利要求1所述的动态步数解相方法，其特征在于，所述根据接收到的所述第二投射光得到对应的格雷码，包括：
接收所述第二投射光，并得到对应的格雷码图像；
对所述格雷码图像进行二值化处理，并对二值化处理后的所述格雷码图像的相位误差进行中值滤波；
根据中值滤波后的所述格雷码图像得到对应的所述格雷码。
5.根据权利要求4所述的动态步数解相方法，其特征在于，所述根据所述包裹相位、所述格雷码得到绝对相位值，包括
根据所述格雷码得到对应的解码值；
根据所述包裹相位、所述解码值得到所述绝对相位值。
6.电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现：如权利要求1至5中任一项所述的动态步数解相方法。
7.计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于：执行权利要求1至5中任一项所述的动态步数解相方法。
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