CN115790451A - 一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光学测量技术领域的一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，包括以下步骤：确认图像中每个周期的像素宽度W1，生成N步相移条纹；设计辅助相位展开的叠加编码条纹，将其每个周期统一赋值，生成黑白条纹图像；采集调制后的投影条纹传入计算机；提取包裹相位，提取级次条纹k1；通过级次k1叠加二值条纹确定另一组条纹级次k2；对包裹相位进行相位解包裹操作，获取被测物体的绝对相位。本发明方法在获取级次的过程中，编码条纹通过数字叠加运算即可获取阶梯级次，算法简单，不需进制运算、映射数组或相位计算等繁琐计算，且利用包裹相位二值化的方法辅助修正跳变误差，提高包裹相位利用率，减少额外编码的投影。

Description

一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法。

背景技术

相位展开技术是光学测量领域的热点问题之一，通过众多学者多年的研究，已有不少成熟的相位展开算法，大体上分为两类，即空间相位展开和时间相位展开。前者利用包裹相位图中像素点的空间规律和相邻相位关系进行相位展开，虽然只需要一幅包裹相位用于展开相位，但是此法精度低且算法条件苛刻，无法测量表面不连续的物体，局限性多；后者除包裹相位外，还需要投影不同频率的编码条纹用于辅助相位展开，通过对所有编码条纹上的相同像素点做时间序列上的相位计算来展开相位，此法避免了空间上的测量误差，虽然增加了投影幅数，但是展开条件简单，可以测量表面复杂且不连续的物体。因此，工业测量领域大多数采用时间相位展开算法。

多频法、相位编码和格雷码是主流的三种时间相位展开法。多频法虽然可以利用外差原理从不同频率的正弦条纹获取相位，但受频率选取的限制，且需要投影三倍的正弦条纹；而相位编码和格雷码都是将阶梯级次条纹信息通过相位计算、进制计算嵌入不同种类的编码条纹，如单周期相移条纹、格雷码条纹，通过分析调制后的编码条纹获取相位展开的级次值，进而获取展开相位。

传统时间相位展开的方法，由于环境噪声、值化误差和有限离焦等因素影响，会使级次条纹和包裹相位发生错位偏移，引入相位跳变误差。为了消除相位跳变误差，Lv S，SunQ，Yang J，et al.An improvedphase-coding method for absolute phase retrievalbased on the path-fol-lowing algorithm[J].Optics and Lasers in Engineering，2019，122：65-73.提出了一种路径跟踪算法，通过确定相位的截断点，利用截断点周围邻点信息来校正传统相位编码的相位展开误差，但该法只限于表面平滑的测量物体；然后，CaiB，Yang Y，Wu J，et al.An improved gray-level coding method for absolute phasemeasurement based on half-period correction[J].Optics and Lasers inEngineering，2020，128：106012.提出了一种半周期校正的码字判定法，用来确定包裹相位的条纹级次，但是该法需要计算正反掩膜，运算复杂度高；Zheng D，Da F，Ke M Q，etal.Phase-shifting profilometry combined with Gray-code patterns projection：unwrapping error removal by an adaptive median filter[J].Optics Express，2017，25(5)：4700-4713.通过自适应中值滤波器校正相位展开误差，该法需要迭代不同尺寸中值滤波器，算法运行速度慢，实时修正的能力弱，以上方法虽然在一定程度上可以消除相位误差，但需要利用空间区域信息，具有一定局限性，且运算复杂。

为此，Zhang Q，Su X，Xiang L，et al.3-D shape measurementbased oncomplementary gray-code light[J].Optics and Lasers in Engineering，2012，50(4)：574-579.提出了一种互补格雷码的相位误差校正法，通过格雷码条纹形成两组偏移半个周期的互补级次，在相位误差附近交换级次来减少误差错误；Yu S，Zhang J，Yu X，etal.Unequal-period combination approach of gray code and phase shifting for 3-D visual measurement[J].Optics Communications，2016，374(1)：97-106.提出了一种不同周期相移结合格雷码的方法，通过优化条纹周期，减小解码错误；刘路，潘艳娟，奚冬冬，等.相位编码条纹投影轮廓术的相位展开误差校正方法[J].应用光学，2020，41(5)：1002-2082.提出了一种附加二值条纹的相位误差校正法，利用引入的二值条纹与相位编码条纹存在半周期的错位，从而计算出互补级次减少相位编码的相位误差。

以上三种方法虽然有效减少了相位误差，但是需要额外多投编码条纹，牺牲了条纹利用效率，且解码复杂、通用性较弱。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，包括以下步骤：

根据搭建的三维测量系统的硬件参数，确认投影图像的像素宽度W、像素高度H和条纹周期T，然后根据像素宽度W和条纹周期T，确认图像中每个周期的像素宽度W1，W1＝W/T，生成N步相移条纹；

根据阶梯码值的分布规律和像素宽度W1，设计辅助相位展开的叠加编码条纹，将其每个周期统一赋值，生成黑白条纹图像；

根据设计的投影条纹，通过投影仪投射至被测物体，经过相机采集调制后的投影条纹传入计算机；

利用相移算法从被调制的相移条纹图像中提取包裹相位，利用叠加原理从被调制的编码条纹图像中提取级次条纹k1；

根据获取的包裹相位，将其值化作为二值条纹，通过级次k1叠加二值条纹确定另一组条纹级次k2；

通过两组级次条纹互补对包裹相位进行相位解包裹操作，通过相位展开算法获取被测物体的绝对相位。

优选地，所述级次条纹k1的计算过程如下：

优选地，所述包裹相位的二值化计算过程如下：

优选地，所述生成级次k2的叠加计算过程如下：

k₂＝k₁+I。

优选地，所述相位展开计算过程如下：

本发明的有益效果：

1、本发明方法通过对包裹相位二值化代替多投的额外条纹，并结合设计的叠加编码条纹，通过条纹叠加计算获取两组相互偏移半个周期的级次条纹，通过互补级次进行相位展开；

2、本发明方法在获取级次的过程中，编码条纹通过数字叠加运算即可获取阶梯级次，算法简单，不需进制运算、映射数组或相位计算等繁琐计算，且利用包裹相位二值化的方法辅助修正跳变误差，提高包裹相位利用率，减少额外编码的投影。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明中叠加编码原理图；

图3是本发明中叠加编码条纹示意图；

图4是本发明中相位误差修正图像剖面图；

图5是本发明中实物测量条纹展开示意图；

图6是本发明中物体测量的点云重构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图6所示，一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，包括以下步骤：

步骤一、根据搭建的三维测量系统的硬件参数，确认投影图像的像素宽度W、像素高度H以及条纹周期T，根据像素宽度W和条纹周期T，确认图像中每个周期的像素宽度W1＝W/T，生成N步相移条纹；

步骤二、根据阶梯码值的分布规律和像素宽度W1，通过计算机设计辅助相位展开的叠加编码条纹，将其每个周期统一赋值“0”或“1”，生成黑白条纹图像；

叠加编码条纹获取过程如下：

该法通过对编码图像进行分区间赋值黑白条纹，以2n个条纹级次为例，需要对n幅编码图像进行嵌入级次信息编码处理，将每幅编码图像划分为2n个周期区间。以第一幅编码图像为例，给其第2个周期区间和第n+2个周期区间赋值为“1”的白色条纹，再将第1幅编码图像的白色条纹集体向右平移1个周期区间形成第二幅编码图像，其余编码图像依次类推，直至第n-1幅编码图像。第n幅编码图像需要将前n个周期赋值为“0”的黑色条纹，后n个周期赋值为“1”的白色条纹。

步骤三、根据步骤一和步骤二所设计的投影条纹，通过投影仪投射至被测物体，经过相机采集调制后的投影条纹传入计算机；

步骤四、利用相移算法从被调制的相移条纹图像中提取包裹相位，利用叠加原理从被调制的编码条纹图像中提取级次条纹k1；

叠加编码条纹生成级次k1的运算为：

其中，k1为需要获取的级次条纹，i为设计投影的叠加条纹幅数，I_i为第i幅编码的叠加条纹，I_n为第n幅叠加条纹；

步骤五、根据步骤四获取的包裹相位，将其值化作为二值条纹，通过级次k1叠加二值条纹确定另一组条纹级次k2；

包裹相位的二值化过程为：

其中，I为需要获取的二值条纹，

为获取的包裹相位。

生成级次k2的叠加过程为：

k₂＝k₁+I

其中，k2为需要获取的级次条纹，k1为获取的第一组级次条纹，I为包裹相位值化后的二值条纹。

步骤六、通过两组级次条纹互补对包裹相位进行相位解包裹操作，通过相位展开算法获取被测物体的绝对相位。

相位展开过程为：

其中，φ为需要获取的绝对相位，

为包裹相位，k1为第一组级次条纹，k2为第二组级次条纹。

基于上述步骤，即所提出的基于相位值化的叠加编码相位展开方法，通过对包裹相位二值化代替多投的额外条纹，并结合本发明设计的叠加编码条纹，通过条纹叠加计算获取两组相互偏移半个周期的级次条纹，通过互补级次进行相位展开。在获取级次的过程中，编码条纹通过数字叠加运算即可获取阶梯级次，算法简单，不需进制运算、映射数组或相位计算等繁琐计算，且利用包裹相位二值化的方法辅助修正跳变误差，提高包裹相位利用率，减少额外编码的投影。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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发明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。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据搭建的三维测量系统的硬件参数，确认投影图像的像素宽度W、像素高度H和条纹周期T，然后根据像素宽度W和条纹周期T，确认图像中每个周期的像素宽度W1，W1＝W/T，生成N步相移条纹；

步骤二、根据阶梯码值的分布规律和步骤一中的像素宽度W1，设计辅助相位展开的叠加编码条纹，将其每个周期统一赋值，生成黑白条纹图像；

步骤三、根据步骤一和步骤二设计的投影条纹，投射至被测物体，采集调制后的投影条纹传入计算机；

步骤四、利用相移算法从被调制的相移条纹图像中提取包裹相位，利用叠加原理从被调制的编码条纹图像中提取级次条纹k1；

步骤五、根据步骤四获取的包裹相位，将其值化作为二值条纹，通过级次k1叠加二值条纹确定另一组条纹级次k2；

步骤六、通过两组级次条纹互补对包裹相位进行相位解包裹操作，通过相位展开算法获取被测物体的绝对相位。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，其特征在于，所述步骤二中叠加编码条纹的获取过程如下：

通过对编码图像进行分区间赋值黑白条纹，对n幅编码图像进行嵌入级次信息编码处理，将每幅编码图像划分为2n个周期区间，给第2个周期区间和第n+2个周期区间赋值为“1”的白色条纹，再将第1幅编码图像的白色条纹集体向右平移1个周期区间形成第二幅编码图像，其余编码图像依次类推，直至第n-1幅编码图像，第n幅编码图像需要将前n个周期赋值为“0”的黑色条纹，后n个周期赋值为“1”的白色条纹。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，其特征在于，所述步骤四中级次条纹k1的计算过程如下：

其中，k1为需要获取的级次条纹，i为设计投影的叠加条纹幅数，I_i为第i幅编码的叠加条纹，I_n为第n幅叠加条纹。

4.根据权利要求3所述的一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，其特征在于，所述步骤五中包裹相位的二值化计算过程如下：

其中，I为需要获取的二值条纹，

为获取的包裹相位。

5.根据权利要求4所述的一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，其特征在于，所述步骤五中生成级次k2的叠加计算过程如下：

k₂＝k₁+I

其中，k2为需要获取的级次条纹，k1为获取的第一组级次条纹，I为包裹相位值化后的二值条纹。

6.根据权利要求5所述的一种基于相位值化的叠加编码相位展开方法，其特征在于，所述步骤六中相位展开计算过程如下：

其中，φ为需要获取的绝对相位，

为包裹相位，k1为第一组级次条纹，k2为第二组级次条纹。

7.一种基于相位值化的叠加编码相位展开系统，其特征在于，包括：

投影图像模块，用于确认图像中每个周期的像素宽度，生成N步相移条纹；

条纹图像模块，用于将叠加编码条纹每个周期统一赋值，生成黑白条纹图像；

采集模块，用于采集调制后的投影条纹传入计算机；

提取模块，用于利用叠加原理从被调制的编码条纹图像中提取级次条纹k1，并通过级次k1叠加二值条纹确定另一组条纹级次k2；

相位解包裹模块，用于通过相位展开算法获取被测物体的绝对相位。

8.一种基于相位值化的叠加编码相位展开控制器，储存有运行权利要求7所述的基于相位值化的叠加编码相位展开系统程序。

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