CN113959364B - 一种三频相位展开方法及测量装置 - Google Patents

一种三频相位展开方法及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三频相位展开方法及测量装置。所述三频相位展开方法，是将预先设计的六幅条纹图分别投影到待测物体上，分别获取对应的六个被调制条纹图的图像信号，根据所述图像信号进行相位求解和展开，其中所述六幅条纹图被分为高频、中频和低频三组，高频组包括三幅三步相移条纹图，中频组包括两幅两步相移条纹图，低频组包括一幅单频条纹图。本发明兼顾了测量精度和速度，和标准三频三步相移法相比减少了三幅所需投影条纹图，提高了测量速度，和标准双频三步相移法相比提高了测量精度。

Description

一种三频相位展开方法及测量装置
技术领域
本发明属于结构光三维测量技术领域，更具体地，涉及一种三频相位展开方法及测量装置。
背景技术
随着科学技术与工业生产的快速发展，越来越多的领域要求准确快速地获取物体三维信息，而基于结构光照明的方法由于具有测量速度快、测量精度高、非接触以及易于实现自动化测量等优点在测量领域中被重点关注，广泛应用于产品设计、物体逆向重建等领域中。
在结构光编码的各种形式如散斑编码、二值编码、灰度编码、相位编码中，相位编码由于具有以下优点而成为目前主流的测量方法：(1)相位本质上是一个独立于光强的物理量，相位的求解理论上不受环境光照、物体表面材质等因素的影响；(2)相位编码能够赋予视场中每个像素独立的编码值；(3)相位编码具有连续性。
相位测量轮廓术(PMP)根据主流又可分为傅里叶轮廓术(FTP)和相移轮廓术(PSP)。FTP方法每个频率只需一幅相位图，但是求解相位主值时存在频谱重叠，要求表面平滑，对噪音敏感，测量表面纹理变化大的物体困难。而PSP法不用像素点的邻域点，对物体表面纹理容忍度高，精度比FTP高，是目前结构光投影领域内最适合的方法之一。
目前结构光测量领域内使用PSP实现三维测量的基本原理为：基于标准多频相移展开法进行绝对相位求解，再使用光学三角法完成物体的三维信息重建。标准多步相移法中有背景强度值，调制度值，待求相位值三个未知量，因此最少需要三幅条纹图才能求出相位值，也就是三步相移。目前所使用较多的为多频三步相移法，可以满足基本的测量要求且所需图片数在可接受范围内，包括三频三步相移法和双频三步相移法。三频三步相移法需要投影九幅条纹图来得到一幅物体的三维信息图，一般选择频率分别为1、8、64的三组频率，可以实现高精度的测量，但得到一幅待测物体三维信息图需要投影九幅条纹图，测量速度较慢。双频三步相移法，通过减少一组相移条纹来提高测量速度，得到一幅待测物体三维信息图需要投影六幅条纹图，测量速度有所提高，但与此同时测量精度却受到了很大影响，在包裹相位展开无误的情况下，多频相移法的测量精度和高频条纹图的频率成正比，而双频相移法通常的高频频率一般不会太大(基本在20及以下)，因为高频的频率过大，在相位展开时因为噪声就极易导致条纹级次的求解错误，进而产生相当大的误差则测量精度却下降了，如果通过增大高频频率来提高测量精度又会导致绝对相位求解错误，难以重建待测物体的三维信息。
也就是上述两种方法各自保证了测量精度和速度，却无法将两者较好地结合到一起。因此，目前如何在提高结构光三维重建速度的同时尽量保证测量精度是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种三频相位展开方法及测量装置，兼顾了测量精度和速度，和标准三频三步相移法相比减少了三幅所需投影条纹图，提高了测量速度，和标准双频三步相移法相比提高了测量精度。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种三频相位展开方法，将预先设计的六幅条纹图分别投影到待测物体上，分别获取对应的六个被调制条纹图的图像信号，根据所述图像信号进行相位求解和展开，其中所述六幅条纹图被分为高频、中频和低频三组，高频组包括三幅三步相移条纹图，中频组包括两幅两步相移条纹图，低频组包括一幅单频条纹图。
进一步地，根据所述图像信号进行相位求解和展开包括步骤：
根据高频组的三幅条纹图对应的三个被调制条纹图的图像信号，求解高频组的包裹相位值、背景强度值及调制度值；
将中频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据中频组的两幅条纹图对应的两个被调制条纹图的图像信号，求解中频组的包裹相位值及调制度值；
将低频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据高频组的调制度值和中频组的调制度值求解低频组的调制度值，根据低频组的一幅条纹图对应的一个被调制条纹图的图像信号，求解低频组的包裹相位值。
进一步地，三频相位展开方法还包括步骤：分别将求解得到的高频组的包裹相位值、中频组的包裹相位值和低频组的包裹相位值的值域扩展到[0,2π]。
进一步地，三频相位展开方法还包括步骤：对扩展到[0,2π]的三组包裹相位值进行展开，获取绝对相位值。
进一步地，根据高频组的调制度值和中频组的调制度值进行拟合处理，得到低频组的调制度值。
进一步地，所述单频条纹图为单频正弦条纹图、单频余弦条纹图或单频灰度图中的任意一种。
进一步地，高频组的三幅条纹图的相移相差120°，对应的三个被调制条纹图的图像信号表示为：
Figure BDA0003315913160000031
其中，Ii(x,y)为第i(i＝1，2，3)幅条纹图对应的被调制条纹图的图像信号的灰度值，αi为第i(i＝1，2，3)幅条纹图的相移，A(x,y)为高频组的背景强度值，B1(x,y)为高频组的调制度值，
Figure BDA0003315913160000032
为高频组的包裹相位值。
进一步地，中频组的两幅条纹图的相移相差90°，对应的两个被调制条纹图的图像信号分别表示为：
Figure BDA0003315913160000033
Figure BDA0003315913160000034
其中，I4(x,y)、I5(x,y)为中频组的两幅条纹图对应的被调制条纹图的图像信号的灰度值，B2(x,y)为中频组的调制度值，
Figure BDA0003315913160000035
为中频组的包裹相位值。
进一步地，所述单频条纹图为灰度递增的斜坡图，对应的被调制条纹图的图像信号表示为：
Figure BDA0003315913160000041
其中，I6(x,y)为所述单频条纹图对应的被调制条纹图的图像信号的灰度值，B3(x,y)为所述单频条纹图的调制度值，
Figure BDA0003315913160000042
为所述单频条纹图的包裹相位值。
按照本发明的第二方面，提供了一种测量装置，包括：
投影模块，用于将预先设计的六幅条纹图分别投影到待测物体上，其中所述六幅条纹图被分为高频、中频和低频三组，高频组包括三幅三步相移条纹图，中频组包括两幅两步相移条纹图，低频组包括一幅单频条纹图；
信号采集模块，用于分别获取对应的六个被调制条纹图的图像信号；
数据处理模块，用于根据所述图像信号进行相位求解和展开。
总体而言，本发明投影时采用了高频、中频和低频三组共六幅条纹图，高频组包括三幅三步相移条纹图，中频组包括两幅两步相移条纹图，低频组包括一幅单频条纹图，然后分别获取对应的六个被调制条纹图的图像信号，根据所述图像信号进行相位求解和展开，这样兼顾了测量精度和速度，和标准三频三步相移法相比减少了三幅所需投影条纹图，提高了测量速度，和标准双频三步相移法相比提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例的一种三频相位展开方法的原理示意图；
图2是本发明实施例的高频组的三幅三步相移条纹图的示例；
图3是本发明实施例的中频组的两幅两步相移条纹图；
图4是本发明实施例的低频组的低频组单频条纹图；
图5是本发明实施例的高频组、中频组和低频组的包裹相位图；
图6是本发明实施例的最终展开的绝对相位图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明从三频三步相移法出发，通过减少中频和低频中的未知数来减少所需投影图片数进而提高测量速度同时保证精度。首先保证精度的措施是高频的三步相移条纹图仍然保留，可以求出高频对应的相位主值以及背景强度值，由于光学系统的离焦对条纹图的背景强度是没有影响的，因此高频的背景强度值可以用于中频和低频的相位主值求解中，这样就减少了两幅待投影图片，中频的相位主值通过两步相移可以求出，而光学系统的离焦对调制度存在着不可忽视的影响，但是影响程度大小是和条纹频率相关的，研究发现离焦对于64高频条纹调制度影响较大，而对于频率较低(20以下)的条纹调制度影响较小，所以可以根据高频组的调制度值和中频组的调制度值得到低频组的调制度值，结合高频背景强度值求出低频相位主值，这样就又减少了一幅待投影图片。
如图1所示，本发明实施例的一种三频相位展开方法，将预先设计的六幅条纹图分别投影到待测物体上，其中六幅条纹图被分为高频、中频和低频三组，高频组包括三幅三步相移条纹图，中频组包括两幅两步相移条纹图，低频组包括一幅单频条纹图，然后分别获取对应的六个被调制条纹图的图像信号，根据图像信号进行相位求解和展开。
本实施例中，高频是指单幅图条纹数在36条以上，中频是指单幅图条纹数在6-35之间，低频是指单幅图条纹数在1及以下。
图2是一个高频组的三幅三步相移条纹图的示例。
图3是一个中频组的两幅两步相移条纹图的示例。
图4是低频组单频条纹图的示例。
进一步地，单频条纹图可以为单频正弦条纹图、单频余弦条纹图或单频灰度图等任意一种。
进一步地，单频条纹图为灰度递增的斜坡图。
进一步地，根据图像信号进行相位求解和展开包括步骤：
(1)根据高频组的三幅条纹图对应的三个被调制条纹图的图像信号，求解高频组的包裹相位值、背景强度值及调制度值；
(2)将中频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据中频组的两幅条纹图对应的两个被调制条纹图的图像信号，求解中频组的包裹相位值及调制度值；
(3)将低频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据高频组的调制度值和中频组的调制度值求解低频组的调制度值，根据低频组的一幅条纹图对应的一个被调制条纹图的图像信号，求解低频组的包裹相位值。
进一步地，是根据高频组的调制度值和中频组的调制度值进行拟合处理，得到低频组的调制度值。
本发明另一实施例的一种三频相位展开方法，包括步骤：
(1)设计64频的三步相移条纹图、8频的90°两步相移条纹图、1频的灰度递增斜坡图，依次投影设计图片至待测物体上，与此同时相机曝光完成被调制图片的获取。
进一步地，高频组的三幅条纹图的相移相差120°，令三幅图的相移各为：α1＝0，α2＝2π/3，α3＝4π/3，对应的三个被调制条纹图的图像信号表示为：
Figure BDA0003315913160000061
其中，Ii(x,y)为第i(i＝1，2，3)幅条纹图对应的被调制条纹图的图像信号的灰度值，αi为第i(i＝1，2，3)幅条纹图的相移，A(x,y)为高频组的背景强度值，B1(x,y)为高频组的调制度值，
Figure BDA0003315913160000062
为高频组的包裹相位值。
进一步地，中频组的两幅条纹图的相移相差90°，对应的两个被调制条纹图的图像信号分别表示为：
Figure BDA0003315913160000063
Figure BDA0003315913160000064
其中，I4(x,y)、I5(x,y)为中频组的两幅条纹图对应的被调制条纹图的图像信号的灰度值，B2(x,y)为中频组的调制度值，
Figure BDA0003315913160000065
为中频组的包裹相位值。
进一步地，单频条纹图为灰度递增的斜坡图，对应的被调制条纹图的图像信号表示为：
Figure BDA0003315913160000071
其中，I6(x,y)为单频条纹图对应的被调制条纹图的图像信号的灰度值，B3(x,y)为单频条纹图的调制度值，
Figure BDA0003315913160000072
为单频条纹图的包裹相位值。
(2)得到被调制条纹图的图形信号后，根据高频组的三幅条纹图对应的三个被调制条纹图的图像信号，求解高频组的包裹相位值、背景强度值及调制度值；将中频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据中频组的两幅条纹图对应的两个被调制条纹图的图像信号，求解中频组的包裹相位值及调制度值；将低频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据高频组的调制度值和中频组的调制度值求解低频组的调制度值，根据低频组的一幅条纹图对应的一个被调制条纹图的图像信号，求解低频组的包裹相位值。
具体地，根据图像信号的表达式，可推导得到以下计算公式进行计算：
Figure BDA0003315913160000073
Figure BDA0003315913160000074
Figure BDA0003315913160000075
Figure BDA0003315913160000076
其中
Figure BDA0003315913160000077
为根据高频和中频条纹图调制度值拟合求出的近似低频调制度大小。
在一个实施例中，以二次函数的形式来进行拟合，令二次函数的一次项系数为0，即：
y＝ax2+b
其中a、b为未知数，x为条纹图周期数，y为对应的条纹图的调制度值，根据高频中频的条纹图求出未知数，带入低频条纹周期数，即可求出低频的调制度值。
分别求出三频对应的相位主值图如图5所示。图5(a)为高频相位主值图，图5(b)为中频相位主值图，图5(c)为低频相位主值图。
(3)分别将求解得到的高频组的包裹相位值、中频组的包裹相位值和低频组的包裹相位值的值域扩展到[0,2π]。
(4)对扩展到[0,2π]的三组包裹相位值进行展开，获取绝对相位值。
具体地，根据公式：
Figure BDA0003315913160000081
Figure BDA0003315913160000082
其中，round表示round函数，通过上式可以求得最终的绝对相位为φ1，如图6所示。
本发明实施例的一种测量装置，包括：
投影模块，用于将预先设计的六幅条纹图分别投影到待测物体上，其中六幅条纹图被分为高频、中频和低频三组，高频组包括三幅三步相移条纹图，中频组包括两幅两步相移条纹图，低频组包括一幅单频条纹图；
信号采集模块，用于分别获取对应的六个被调制条纹图的图像信号；
数据处理模块，用于根据图像信号进行相位求解和展开。
装置的实现原理、技术效果与上述方法相同，此处不再赘述。
必须说明的是，上述任一实施例中，方法并不必然按照序号顺序依次执行，只要从执行逻辑中不能推定必然按某一顺序执行，则意味着可以以其他任何可能的顺序执行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三频相位展开方法，其特征在于，将预先设计的六幅条纹图分别投影到待测物体上，分别获取对应的六个被调制条纹图的图像信号，根据所述图像信号进行相位求解和展开，其中所述六幅条纹图被分为高频、中频和低频三组，高频组包括三幅三步相移条纹图，中频组包括两幅两步相移条纹图，低频组包括一幅单频条纹图；
根据所述图像信号进行相位求解和展开包括步骤：
根据高频组的三幅条纹图对应的三个被调制条纹图的图像信号，求解高频组的包裹相位值、背景强度值及调制度值；
将中频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据中频组的两幅条纹图对应的两个被调制条纹图的图像信号，求解中频组的包裹相位值及调制度值；
将低频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据高频组的调制度值和中频组的调制度值求解低频组的调制度值，根据低频组的一幅条纹图对应的一个被调制条纹图的图像信号，求解低频组的包裹相位值。
2.如权利要求1所述的一种三频相位展开方法，其特征在于，还包括步骤：分别将求解得到的高频组的包裹相位值、中频组的包裹相位值和低频组的包裹相位值的值域扩展到[0,2π]。
3.如权利要求2所述的一种三频相位展开方法，其特征在于，还包括步骤：对扩展到[0,2π]的三组包裹相位值进行展开，获取绝对相位值。
4.如权利要求1所述的一种三频相位展开方法，其特征在于，根据高频组的调制度值和中频组的调制度值进行拟合处理，得到低频组的调制度值。
5.如权利要求1所述的一种三频相位展开方法，其特征在于，所述单频条纹图为单频正弦条纹图、单频余弦条纹图或单频灰度图中的任意一种。
6.如权利要求1所述的一种三频相位展开方法，其特征在于，其特征在于，高频组的三幅条纹图的相移相差120°，对应的三个被调制条纹图的图像信号表示为：
Figure FDA0003640556410000021
其中，Ii(x,y)为第i(i＝1，2，3)幅条纹图对应的被调制条纹图的图像信号的灰度值，αi为第i(i＝1，2，3)幅条纹图的相移，A(x,y)为高频组的背景强度值，B1(x,y)为高频组的调制度值，
Figure FDA0003640556410000022
为高频组的包裹相位值。
7.如权利要求6所述的一种三频相位展开方法，其特征在于，中频组的两幅条纹图的相移相差90°，对应的两个被调制条纹图的图像信号分别表示为：
Figure FDA0003640556410000023
Figure FDA0003640556410000024
其中，I4(x,y)、I5(x,y)为中频组的两幅条纹图对应的被调制条纹图的图像信号的灰度值，B2(x,y)为中频组的调制度值，
Figure FDA0003640556410000025
为中频组的包裹相位值。
8.如权利要求7所述的一种三频相位展开方法，其特征在于，所述单频条纹图为灰度递增的斜坡图，对应的被调制条纹图的图像信号表示为：
Figure FDA0003640556410000026
其中，I6(x,y)为所述单频条纹图对应的被调制条纹图的图像信号的灰度值，B3(x,y)为所述单频条纹图的调制度值，
Figure FDA0003640556410000027
为所述单频条纹图的包裹相位值。
9.一种测量装置，其特征在于，包括：
投影模块，用于将预先设计的六幅条纹图分别投影到待测物体上，其中所述六幅条纹图被分为高频、中频和低频三组，高频组包括三幅三步相移条纹图，中频组包括两幅两步相移条纹图，低频组包括一幅单频条纹图；
信号采集模块，用于分别获取对应的六个被调制条纹图的图像信号；
数据处理模块，用于根据所述图像信号进行相位求解和展开：
所述根据所述图像信号进行相位求解和展开包括：
根据高频组的三幅条纹图对应的三个被调制条纹图的图像信号，求解高频组的包裹相位值、背景强度值及调制度值；
将中频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据中频组的两幅条纹图对应的两个被调制条纹图的图像信号，求解中频组的包裹相位值及调制度值；
将低频组的背景强度值等同于高频组的背景强度值，根据高频组的调制度值和中频组的调制度值求解低频组的调制度值，根据低频组的一幅条纹图对应的一个被调制条纹图的图像信号，求解低频组的包裹相位值。
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