CN114688995A - 一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法 - Google Patents

一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法 Download PDF

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张雷
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Abstract

本发明公开一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,包括:计算机生成三组不同初始相位条纹图像,再通过投影仪投射到被测物体表面,相机采集变形条纹图像;采用四步相移算法提取相位信息,计算得到包含相位误差的包裹相位图数据;根据相位误差的周期性,将三幅包裹相位图中的相位值,以像素位置为集合,选取特定阈值K;利用给定阈值对包裹相位图中的相位值做取舍,遍历像素点,融合计算包裹相位数据来对原始相位值进行校正,得到经相位误差补偿后的相位分布。本发明采用简明的操作过程,有效实现条纹投影三维测量的相位误差补偿。

Description

一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法
技术领域
本发明涉及条纹投影三维测量技术领域,尤其涉及一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法。
背景技术
当前,条纹投影三维测量技术发展迅速,具有非接触式、高精度、适用性广等优点,不仅适用于工业检测、逆向工程、目标识别等方面,在生物医学、文物修复等领域发挥的作用也逐渐显现。条纹投影三维测量是主动式三维测量的一种,条纹投影作为面结构光三维测量应用更为广泛。条纹投影三维测量技术通过计算机生成的条纹图像经投影仪依次投射到待测物表面,与此同时相机获取受被测物体高度调制的变形条纹图,得到变形条纹的相位信息,做相位展开获得待测物体的连续相位信息,最后由系统标定参数、变换坐标完成待测物的三维重建。其中,相移法提取相位信息提升了条纹投影测量精度与重复利用,该方法通过采集多张有一定相移的光栅条纹图像,根据图像像素点解算包含待测物表面三维信息的相位值。
在理想状态下投影仪投影的是正弦条纹,但是实际操作过程中,投影设备以及环境都会对条纹图像的正弦性产生干扰。常用的条纹投影三维测量技术都是采用一组符合正弦要求的光栅图案投影到被测物体表面,此时相机采集到的条纹图像会有非线性失真,导致后续相位提取到的相位分布不满足正弦要求,相位图产生非线性相位误差,需要进行相位误差补偿。现有技术采用的相位误差补偿方法有:增加投影条纹数量的形式达到消除相位误差的目的,但是此类方法耗时较多;多次投影测试得到条纹图像相应正确的伽马值,建立误差查找表,此方法建立的查找表会随着被测物体的变化而改变,没有普适性;训练模型得到接近正确的条纹图像伽马值,再投射到被测物体上,存在复杂的计算过程。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的补偿效率低、过程复杂等问题,提供了一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法。
为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,包括以下步骤:
S1:通过计算机自动生成投影所需的条纹图像,使用程序改变条纹图像的初始相位;
S2:使用投影仪向被测物体投射三组具有不同初始相位的条纹图像,相机采集变形条纹图像,采用相移算法处理变形条纹图像,获取相位信息;
S3:根据相位误差的周期特性,利用三幅包裹相位图中的正确相位信息,选取特定阈值K;
S4:利用给定阈值对三幅包裹相位图中的原始相位值做取舍,得到新的相位数据赋给三幅包裹相位图,对相位图中的像素点相位进行遍历算法,输出相位误差补偿后的相位值。
作为优选的方案,所述通过计算机自动生成投影所需的条纹图像,使用程序改变条纹图像的初始相位,具体包括如下步骤:
计算机通过代码实现正弦条纹图像的生成,每次生成N幅正弦条纹图像,每张图像的相移量为2Π/N。
设置程序改变条纹图像的初始相位的公式为:
PhF=ic*90+R
其中,PhF表示条纹图像的初始相位;ic表示第N幅条纹图像;R表示改变的初始相位值。
作为优选的方案,所述条纹图像改变其初始相位值R,取决于不同被测物体的相位误差位置分布情况。
作为优选的方案,所述投影仪向被测物体投影条纹图像假设为标准正弦分布,即条纹图
像表示为:
Figure BDA0003618840850000021
其中,
Figure BDA0003618840850000022
表示投影仪中一个像素点的光强;n=1,2,…,N,对应的是条纹图像的序号,下式同理;Ib表示条纹的背景光强;Im表示条纹的调制量;f为正弦条纹的频率;yP为图像像素坐标;N为相移步数。相机采集变形条纹图像,对应的变形条纹图像表示为:
Figure BDA0003618840850000023
其中,
Figure BDA0003618840850000024
表示相机中一个像素点的光强;R(x,y)表示待测物表面的不均匀反射率;A(x,y)为背景强度;B(x,y)为条纹幅度;
Figure BDA0003618840850000025
为调制后的相位分布函数。
作为优选的方案,所述相位误差的周期性,其数值与条纹的具体频率有关,非线性相位误差主要出现在相位截断处。
作为优选的方案,所述阈值K为相位值,是从三幅包裹相位图中选取正确相位值与异常相位值之间的一个数值。设置阈值可以通过计算找出相位图中的异常相位值,并进行标记。
作为优选的方案,所述对三幅包裹相位图中的原始相位值做取舍的方法为:
三幅包裹相位图中的原始相位值作为一个集合A中的三个数组表示为:
Figure BDA0003618840850000026
将数组中的相位数据与阈值K进行做差比较,保留下来的相位值均值化处理,得到新的相位值。
作为优选的方案,对相位图中的像素点相位进行遍历算法是对包裹相位图中的像素值,从行坐标开始到列坐标进行相位值遍历。
基于上述技术方案,本发明的优点在于:
1.在实际条纹投影三维测量系统中,伽马畸变所导致的投影条纹正弦性发生变化,将直接导致变形条纹中出现高次谐波分量,从而影响相位求解造成相位误差。本发明对已经存在的相位误差进行补偿,不针对条纹本身去校正其伽马值,减少了复杂计算的时间,也避免了不同物体要多次校正伽马值的问题,普适性好。
2.本发明采用多初始相位投影得到多个包裹相位的方法,通过计算机自动生成具有不同初始相位值的条纹图像,提高了运行速度,也避免条纹图像过多可能带来的运动误差。
3.本发明中的相位为包裹相位,对包裹相位进行相位误差补偿,减少了后续解包裹相位的次数,提高效率。
4.本发明中相位误差补偿的数据,来自不同初始相位的包裹相位图,保证了误差补偿求解的可靠性,相位值更准确。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法流程示意图;
图2为本发明实施例所述的不同初始相位的条纹图像计算所得截断相位分布结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图中涉及的具体实施方式对本发明的实施例进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在未进行创造性劳动前提下获得的所有其它实施例,如只改变用途而不改变权利要求涉及基本原理的实施例,都属于本发明保护的范围。
首先本发明的相位误差补偿方法是在条纹投影测量的基础上,提出的多初始相位误差补偿,需要计算机生成具有不同初始相位值的条纹图像,如图2所示,不同初始相位的条纹图像经过相移算法得到的相位分布,产生了相位偏移。
这种初始相位改变可表示为:
PhF=ic*90+R
其中,PhF表示条纹图像的初始相位;ic表示第N幅条纹图像;R表示改变的初始相位值。本实施例中选取的频率设置了初始相位差值为Π/3,即程序中初始相位公式为:
PhF=ic*90+Π/3;
PhF=ic*90+2Π/3
计算机执行三次程序,得到三组不同初始相位的条纹图像。采用了四步相移算法,那么一共有三组12幅条纹图像。
计算机将生成的条纹图像通过投影设备直接投射到被测物体上,此时的条纹图像强度分布为:
Figure BDA0003618840850000031
其中,
Figure BDA0003618840850000032
表示投影仪中一个像素点的光强;n=1,2,…,N,对应的是条纹图像的序号,下式同理;Ib表示条纹的背景光强;Im表示条纹的调制量;f为正弦条纹的频率;yP为图像像素坐标;N为相移步数。
相机采集经物体表面高度调制的变形条纹图像,此时的变形条纹图表示为:
Figure BDA0003618840850000033
其中,
Figure BDA0003618840850000034
表示相机中一个像素点的光强;R(x,y)表示待测物表面的不均匀反射率;A(x,y)为背景强度;B(x,y)为条纹幅度;
Figure BDA0003618840850000035
为调制后的相位分布函数。
此时的变形条纹图像,经过相移算法处理后,理想的截断相位
Figure BDA0003618840850000036
的表达式为:
Figure BDA0003618840850000037
式中,
Figure BDA0003618840850000038
被截断在反三角函数的主值区间(-π,π]内,为不连续相位。在实际测量实验中,需要先采集参考平面上的相移条纹图,以此获取待测物体相对于参考平面高度的相位,那么受物体表面高度调制后的相位
Figure BDA0003618840850000039
为:
Figure BDA0003618840850000041
当考虑测量系统的非线性影响引入的高次谐波,此时的条纹强度为:
Figure BDA0003618840850000042
将上式条纹强度得到的相位误差表示为
Figure BDA0003618840850000043
可以看成理想截断相位
Figure BDA0003618840850000044
的周期函数。
上述通过改变条纹图像的初始相位得到的包含相位误差的包裹相位分布分别表示为
Figure BDA0003618840850000045
包裹相位图中的每一个像素点都对应一个相位值,存在正常相位值和相位误差影响的异常相位值。异常相位值在不同初始相位的包裹相位分布图中处于不同的像素点位上,此时计算针对每个像素的相位值,以三幅包裹相位图中同一像素位置的相位值为集合,求三个相位值的平均数,计算公式为:
Figure BDA0003618840850000046
将三幅包裹相位图中原始相位值与求得的相位均值做差,此时每个像素点的相位值集合通过算法将得到的差值赋到原始相位值的位置,取代原始相位值的。
相位误差对相位值的影响之一在于数值的大小,当集合中存在相位误差影响的相位值时,此时集合中的三个数值大小差距明显,正确相位值做差后的相位值在一定范围内浮动。算法检测相位值的浮动范围,得到阈值k。
对集合中超过浮动范围的相位值的判别算法伪代码表示为:
Figure BDA0003618840850000047
将集合中划分到正常浮动范围外的相位值赋空,该计算伪代码为:
Figure BDA0003618840850000048
上述Loc表示集合中判别为浮动范围外异常相位值,需要事先计算得到Loc在集合中的索引。
在此基础上得到相位图所有像素点的相位值集合,区别于原始相位值集合,将异常相位值优化处理,再将集合中保留下来的相位值均值化处理。
经过上述方法后得到新的校正和补偿相位误差后的相位分布图像,本发明方法在补偿相位误差的同时被测物体自身的相位值保留度较好,失真度较少,全局相位精度更高,简化现有相位误差补偿方法的复杂程度。
以上所述具体实施方式,仅为本发明所公开的一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法的较佳实施方式的描述,但本发明的保护范围不仅限于此,任何熟悉该技术的人能在本申请描述的范围内轻易实现,而不改变权利要求涉及基本原理的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内,即本申请保护范围应以权利要求保护范围为准。

Claims (8)

1.一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:通过计算机自动生成投影所需的条纹图像,使用程序改变条纹图像的初始相位;
S2:使用投影仪向被测物体投射三组具有不同初始相位的条纹图像,相机采集变形条纹图像,采用相移算法处理变形条纹图像,获取相位信息;
S3:根据相位误差的周期特性,利用三幅包裹相位图中的正确相位信息,选取特定阈值K;
S4:利用给定阈值对三幅包裹相位图中的原始相位值做取舍,得到新的相位数据赋给三幅包裹相位图,对相位图中的像素点相位进行遍历算法,输出相位误差补偿后的相位值。
2.根据权利要求1所述的一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,其特征在于,所述的通过计算机自动生成投影所需的条纹图像,使用程序改变条纹图像的初始相位,具体包括如下步骤:
计算机通过代码实现正弦条纹图像的生成,每次生成N幅正弦条纹图像,每张图像的相移量为2Π/N。
设置程序改变条纹图像的初始相位的公式为:
PhF=ic*90+R
其中,PhF表示条纹图像的初始相位;ic表示第N幅条纹图像;R表示改变的初始相位值。
3.根据权利要求2所述的一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,其特征在于,所述的条纹图像改变其初始相位值R,取决于不同被测物体的相位误差位置分布情况。
4.根据权利要求1所述的一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,其特征在于,所述的投影仪向被测物体投影条纹图像假设为标准正弦分布,即条纹图像表示为:
Figure FDA0003618840840000011
其中,
Figure FDA0003618840840000012
表示投影仪中一个像素点的光强;n=1,2,…,N,对应的是条纹图像的序号,下式同理;Ib表示条纹的背景光强;Im表示条纹的调制量;f为正弦条纹的频率;yP为图像像素坐标;N为相移步数。相机采集变形条纹图像,对应的变形条纹图像表示为:
Figure FDA0003618840840000013
其中,
Figure FDA0003618840840000014
表示相机中一个像素点的光强;R(x,y)表示待测物表面的不均匀反射率;A(x,y)为背景强度;B(x,y)为条纹幅度;
Figure FDA0003618840840000015
为调制后的相位分布函数。
5.根据权利要求1所述的一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,其特征在于,所述的相位误差的周期特性,其数值与条纹的具体频率有关,非线性相位误差主要出现在相位截断处。
6.根据权利要求1所述的一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,其特征在于,所述的阈值K为相位值,是从三幅包裹相位图中选取正确相位值与异常相位值之间的一个数值。
7.根据权利要求1所述的一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,其特征在于,所述的对三幅包裹相位图中的原始相位值做取舍的方法为:
三幅包裹相位图中的原始相位值作为一个集合A中的三个数组表示为:
Figure FDA0003618840840000016
将数组中的相位数据与阈值K进行做差比较,保留下来的相位值均值化处理,得到新的相位值。
8.根据权利要求1所述的一种条纹投影三维测量中的相位误差补偿方法,其特征在于,所述的对相位图中的像素点相位进行遍历算法是对包裹相位图中的像素值,从行坐标开始到列坐标进行相位值遍历。
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