CN115830154B - 一种基于二倍角相位编码的解包裹方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，将灰度条纹数量缩减并获取阶梯码字，包括以下步骤：步骤一：确定阶梯码字数，得到理想阶梯相位，步骤二：将理想阶梯相位嵌入二倍角的余弦相移条纹，形成量化的余弦条纹，通过投影仪投射至被测物体表面，步骤三：采集被物体高度调制的变形图像，进行解相位操作，获取包裹相位和变形的阶梯相位，步骤四：对变形的阶梯相位进行归一化、量化、取整等操作，获取阶梯码字，步骤五：重建被测物体表面形貌信息，投影仪对灰度条纹的投影帧率远远低于对二值条纹的投影帧率，减少了三维测量系统中灰度图像的投影，提高了投影效率，通过一幅灰度相移图像、两幅黑白图像便可以获取8个以上阶梯码字。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于二倍角相位编码的解包裹方法。
背景技术
相位展开通常分为空间相位展开和时间相位展开两类，空间相位展开依靠空间上像素点与邻点之间的相位关系，对每个像素点上的相位值进行整数倍的周期叠加进行解相，所以，此法不适用于大梯度非连续形貌的物体测量。对此，使用编码条纹辅助相位展开的时间相位展开法更常使用，时间相位展开通过投射辅助编码条纹，来构建时间序列的相位关系，通过时间刻度和相位的对应关系对像素逐点展开。其包括多频外差法、格雷码辅助相移法和相位编码法等。但是时间相位展开会投影额外的条纹图像，降低了投影速度，对快速测量物体依旧具有很大挑战。
现有方法是通过将码字嵌入相位范围为的相移条纹中，通过相移算法处理，相位离散量化后获取阶梯码字。因相位信息的稳健，此法对物体表面对比度、光强噪声及相机噪声敏感度较低，具有良好的鲁棒性；其测量效率高，只需要3幅图像便可以获取8个以上的阶梯码字，在高速测量和高对比度物体测量上具有较大的潜力。然而，在投影仪投影效率上，灰度图像的投影效率明显低于单色图像和二值图像。在相同环境中，投影仪投射三幅灰度条纹的投影效率远远高于投影三幅格雷码的效率；同时，由于相机噪声、非线性效应、环境光和系统离焦等影响，传统相位编码解出的阶梯码字会和截断相位产生轻微错位，导致周期相位跳变，引入相位误差，使得系统测量精度降低，由于跳变周围的相位值是非歧义的，单一使用中值滤波难以完全消除。目前常用的DLP4500投影仪对于8bit灰度图像的刷新帧率只有120Hz，而对于1bit二值图像却有4225Hz，而传统相位编码法需要三张灰度相位编码条纹获取阶梯码字，投影速度较慢，不利于动态测量。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于二倍角相位编码的相位恢复方法，用于三维测量和重建。所提方法基于相移二倍角公式原理，利用一幅二倍角相移条纹、全黑图像和全白图像获取阶梯码字，相比传统的相位编码减少了灰度图像的使用，提高了投影效率，为三维高速测量提供便捷。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，包括以下步骤:
步骤一:根据所搭建的三维测量系统参数，确定投影图像的宽度、高度、条纹周期、周期内像素值等条纹参数，根据条纹参数，获取相移条纹和理想阶梯相位；
步骤二:将理想阶梯相位嵌入二倍角余弦条纹，获取阶梯化的二倍角余弦条纹；
步骤三:将所设计的条纹图像，即相移条纹、一幅二倍角余弦条纹、一幅全白图像、一幅全黑图像，通过投影仪投射至被测物体表面,并采集被调制的图像；
步骤四: 对采集回来的调制图像进行解相操作，相移图像解相位为包裹相位，二倍角编码条纹解相位为实际测量的阶梯相位；
步骤五: 对计算获取的阶梯相位进行归一化、量化、取整等操作，获取阶梯码字；
步骤六: 通过阶梯码字对包裹相位进行逐点相位展开，获取无歧义的绝对相位，进而重建被测物体表面的三维形貌信息。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤一中，理想的阶梯相位运算过程具体为：
；
其中，为量化的相位；为单个周期内像素值；为条纹周期数。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤二中，将理想阶梯相位嵌入二倍角余弦条纹的运算过程描述为:
；
其中，为需要获取的二倍角余弦条纹，为背景光强，为调制光强。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤三中，全白图像和全黑图像的描述为:
；
其中，为需要的高光图像，为需要的低光图像。
作为本发明的一种优选实施方式：条纹、、的优化过程描述为：
使用全白和全黑图像进行计算，即背景光强为127.5，调制光强为127.5，其描述如下：
；
其中，为优化后二倍角余弦条纹，为高光图像优化后的全白图像，为低光图像优化后的全白图像。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤四中实际测量中的阶梯相位求解过程描述为：
；
其中，为实际测量中所需要的阶梯相位。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤五中阶梯码字的运算过程描述为：
；
其中，为四舍五入取整函数，为条纹周期数，为实际测量中所需要的阶梯相位。作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤六中相位展开过程描述为：
；
其中，为需要获取的绝对相位图像。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
通过在传统相位编码法的基础上提出了一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，用于三维测量和重建。该法将阶梯相位嵌入二倍角余弦条纹中，利用三角函数二倍角公式原理，通过一张二倍角余弦条纹、一张全黑图像和一张全白图像获取阶梯码字。相较于传统相位编码法，减少了两张灰度图像的使用，在相同时间内，投影仪投影本发明方法的条纹图像要比投影传统相位编码法要更多，提高了投影仪投影速度和使用效率，有利于动态测量，为快速三维测量提供便捷。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图;
图2为本发明实施例的相位展开示意图;
图3为本发明实施例的相位展开剖面示意图;
图4为本发明实施例的实物测量示意图;
图5为本发明实施例的实物点云示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明通过改进在此提供一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，本发明的技术方案是:
如图1-5所示，一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，包括有以下步骤:
步骤一:根据所搭建的三维测量系统参数，确定投影图像的宽度、高度、条纹周期、周期内像素值等条纹参数，根据条纹参数，获取相移条纹和理想的阶梯相位;
理想的阶梯相位运算过程描述如下:
；
其中，为量化的相位；为单个周期内像素值；为条纹周期数，
步骤二:将理想阶梯相位嵌入二倍角余弦条纹，获取阶梯化的二倍角余弦条纹;
将阶梯相位嵌入二倍角余弦条纹的运算过程描述为:
；
其中，为需要获取的二倍角阶梯余弦条纹，为背景光强，为调制光强。
步骤三:将所设计的条纹图像，即相移条纹、一幅二倍角余弦条纹、一幅全白图像、一幅全黑图像，通过投影仪投射至被测物体表面,并采集被调制的图像;
全白图像和全黑图像的描述为:
；
其中，为需要的高光图像，为需要的低光图像。
条纹、、的优化过程描述为：
本发明是关于相位域的编码。光强的变化对于获取阶梯码字影响不大，故本发明方法于此处可以全白和全黑图像进行计算，即背景光强为127.5，调制光强为127.5，其描述如下：
；
其中，为优化后二倍角余弦条纹，为所需全黑图像，为所需全白图像。
步骤四: 对采集回来的调制图像进行解相操作，三幅相移图像解相位为包裹相位，二倍角编码条纹解相位为阶梯相位；
实际测量中的阶梯相位求解过程描述为：
；
其中，为实际测量中所需要的阶梯相位，为二倍角余弦条纹，为全白图像，为全黑图像。
步骤五:对计算获取的阶梯相位进行归一化、量化、取整等操作，获取阶梯码字。
所述步骤五中阶梯码字的运算过程描述为：
；
其中，为四舍五入取整函数，为条纹周期数，为实际测量中所需要的阶梯相位。
步骤六: 通过阶梯码字对包裹相位进行逐点相位展开，获取无歧义的绝对相位，进而重建被测物体表面的三维形貌信息。
相位展开过程描述为：
；
其中，为需要获取的绝对相位图像。
基于上述步骤，在传统相位编码的基础上，提出了一种基于二倍角相位编码的相位恢复方法，用于三维测量和重建。所提方法基于相移二倍角公式原理，只通过二倍角余弦函数就可以获取正切函数，利用一幅二倍角余弦相移条纹、全黑图像和全白图像获取阶梯码字，相比传统的相位编码减少了灰度图像的使用，提高了投影效率，为三维高速测量提供便捷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一:根据所搭建的三维测量系统参数，确定投影图像的宽度、高度、条纹周期、周期内像素值条纹参数，根据条纹参数，获取相移条纹和理想阶梯相位；
步骤二:将理想阶梯相位嵌入二倍角余弦条纹，获取阶梯化的二倍角余弦条纹，具体为：
将理想阶梯相位嵌入二倍角余弦条纹的运算过程描述为:
其中，为需要获取的二倍角余弦条纹，为背景光强，为调制光强；
步骤三:将所设计的条纹图像，即相移条纹、一幅二倍角余弦条纹、一幅全白图像、一幅全黑图像，通过投影仪投射至被测物体表面,并采集被调制的图像；
步骤四: 对采集回来的调制图像进行解相操作，相移图像解相位为包裹相位，二倍角编码条纹解相位为实际测量的阶梯相位；
步骤五: 对计算获取的阶梯相位进行归一化、量化、取整操作，获取阶梯码字；
步骤六: 通过阶梯码字对包裹相位进行逐点相位展开，获取无歧义的绝对相位，进而重建被测物体表面的三维形貌信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，其特征在于:所述步骤一中，理想的阶梯相位运算过程具体为：
其中，为量化的相位；为单个周期内像素值；为条纹周期数。
3.根据权利要求2所述的一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，其特征在于:所述步骤三中，全白图像和全黑图像的描述为:
其中，为需要的高光图像，为需要的低光图像。
4.根据权利要求3所述的一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，其特征在于，条纹、、的优化过程描述为：
使用全白和全黑图像进行计算，即背景光强为127.5，调制光强为127.5，其描述如下：
其中，为优化后二倍角余弦条纹，为高光图像优化后的全白图像，为低光图像优化后的全白图像。
5.根据权利要求4所述的一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，其特征在于：所述步骤四中实际测量中的阶梯相位求解过程描述为：
其中，为实际测量中所需要的阶梯相位。
6.根据权利要求5所述的一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，其特征在于：所述步骤五中阶梯码字的运算过程描述为：
其中，为四舍五入取整函数，为条纹周期数，为实际测量中所需要的阶梯相位。
7.根据权利要求6所述的一种基于二倍角相位编码的解包裹方法，其特征在于：所述步骤六中相位展开过程描述为：
其中，为需要获取的绝对相位图像。
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