CN115950378B - 一种基于二值条纹的快速测量方法 - Google Patents

一种基于二值条纹的快速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二值条纹的快速测量方法，首先根据条纹级次分布特点，利用二值投影条纹和掩膜将整个图像分割成两个条纹掩膜，再通过连通域对白色像素点进行阶梯式标记，以此获得条纹左右级次；然后，将左级次和右级次逐像素相加，合并为完整的条纹级次；其次，利用二分之一周期的二值条纹，获得与条纹级次半周期错位的互补级次；最后，根据条纹级次和互补级次实现解相；本发明的方法能够达到消除边沿跳变误差的效果，且投影图像数少，能够在实现高精度测量的同时提升测量速度。

Description

一种基于二值条纹的快速测量方法
技术领域
本发明属于结构光三维快速测量领域，具体涉及一种基于二值条纹的快速测量方法。
背景技术
随着科学技术和生产制造水平的不断提高，在工业产品的研究设计中，测量技术对于外形轮廓的测量要求也越来越高，传统的测量技术难以满足需求，快速测量与高精度测量开始广泛应用于各种领域。光栅投影三维测量技术，又称条纹投影轮廓术（FPP），具有结构简便、高精度、非接触、适合在线测量等优点，作为一种新兴的快速测量方法，其研究为数字化三维测量技术领域带来了新的探索途径，因而受到众多研究工作者的广泛关注。
在传统相位解包裹算法中，解包裹所需的条纹级次是由另外的条纹图像得到的，增加了投影图片数量，降低了测量速度。若投影周期为T的正弦相移条纹图，则需要多投影
Figure SMS_1
幅二进制编码图像或格雷码图像。因此，在恢复一个三维形状时，减少投影图像的数量始终是高速应用的热点。
为了提升测量速度，国内外学者提出许多方法。Lei等提出了使用0和255两个强度值构成的二元模式来生成呈正态分布的正弦条纹图像（Lei S , Zhang S . Flexible 3-Dshape measurement using projector defocusing[J]. Optics Letters, 2009, 34(20):3080-2.），通过空间移动二元模式来引入相移，以此完成三维形状测量，不仅提高了测量速度，且无需非线性伽马校准，然而，为了产生高对比度条纹图像，必须将散焦度控制在一定范围内。Wang等提出了一种将码字嵌入相位中来确定相位恢复的条纹阶数的方法（Wang Y , Zhang S . Novel phase-coding method for absolute phase retrieval[J]. Optics Letters, 2012, 37(11):2067.），该方法只需要投射三幅额外的图像就能确定条纹顺序，但由于测量环境以及多种噪声的影响，采集到的数据不是标准的阶梯分布，导致解出的条纹级次与包裹相位边沿不是一一对应，展开相位受到严重误差影响。在快速相位测量轮廓系统中，Zhong等提出了一种基于相移和三焦点张量的快速相位测量法（Kai Z, Li Z , Shi Y , et al. Fast phase measurement profilometry for arbitraryshape objects without phase unwrapping[J]. Optics&Lasers in Engineering,2013, 51(11):1213-1222.），该方法利用最小的相移图像数，可以在全时空分辨率下测量任意形状物体，然而，当被测物体快速移动时，由于运动误差，会产生波纹。Zuo等提出了一种逐点恢复高精度三维绝对坐标的方法（Chao Z , Qian C , Gu G , et al. High-speedthree-dimensional shape measurement for dynamic scenes using bi-frequencytripolar pulse-width-modulation fringe projection[J]. Optics and Lasers inEngineering, 2013, 51(8):953–960.），该方法使用五种二进制模式，通过将平均强度与两个附加的二元图案相结合，在相位域中逐像素确定条纹顺序，可以减少帧数，实现更高速的三维重建，但为了纠正二值化和运动引起的误差，导致该方法测量深度范围有限。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于二值条纹的快速测量方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：一种基于二值条纹的快速测量方法，包括以下步骤：
S1、根据所投正弦条纹确定二值投影条纹；
S2、通过分割调制度获得掩膜，利用二值投影条纹和掩膜将携带物体相位信息的图像分割成两个条纹掩膜，并对连通域的白色像素点进行阶梯式标记，且同一连通域的像素点标记值相同，获得条纹左级次和右级次，再将其逐像素相加，合并为完整的条纹级次；
S3、利用二分之一周期的二值条纹，获得与条纹级次半周期错位的互补级次，对展开相位进行校正；
S4、根据条纹级次和互补级次对包裹相位进行展开，在相位截断处产生的解相错位利用互补级次来做出相应的补偿，其余利用条纹级次正常解相。
优选地，步骤S1中，二值投影条纹通过如下公式获取：
Figure SMS_2
式中， />
Figure SMS_3
为计算机生成的只含0、1像素点的二值条纹，/>
Figure SMS_4
为投影的第一幅正弦条纹，两者周期相同。
优选地，步骤S2中采用N幅正弦条纹的背景强度确定二值化阈值，公式表达如下：
Figure SMS_5
式中，/>
Figure SMS_6
为二值化阈值，/>
Figure SMS_7
为第n幅正弦条纹。
优选地，步骤S2中对所采集的二值条纹图像进行二值化，再将其取反，得到两个相反的二值条纹图像，通过以下公式获得条纹掩膜，公式表达如下：
Figure SMS_9
Figure SMS_11
式中，
Figure SMS_14
与/>
Figure SMS_10
为两个互补的条纹掩膜，/>
Figure SMS_13
与/>
Figure SMS_15
为两个互补的二值条纹，
Figure SMS_16
为分割图像区域的掩膜，通过分割调制度获得，由调制度来确定相位信息的质量，1表示信息质量最好，其余的作为噪声滤除，通过以下公式判别相位信息是否可靠：
Figure SMS_8
式中，/>
Figure SMS_12
为调制度，T为判别相位信息质量的阈值。
优选地，步骤S2中，利用连通域标记白色像素点是以8邻接的方法进行标记。
优选地，步骤S2中，条纹左级次和右级次进行合并时要先判别左级次是否对应条纹级次的左半周期，右级次是否对应条纹级次的右半周期，若不是，则该级次递增一个阶梯，再将其逐像素相加，最后合并为完整的条纹级次。
优选地，对校正相位所采用的二值投影条纹通过以下公式获得：
Figure SMS_17
式中，/>
Figure SMS_18
为计算机生成的二分之一周期的二值投影条纹，/>
Figure SMS_19
为条纹级次，/>
Figure SMS_20
为正弦条纹的周期数，/>
Figure SMS_21
为求余函数；
对采集到的二值条纹图像进行二值化处理，由于二分之一周期二值条纹相对于条纹级次有半周期偏移，通过以下公式获得新的半周期位移的互补级次：
Figure SMS_22
。
优选地，步骤S4中利用条纹级次正常解相公式表达如下：
Figure SMS_23
式中，/>
Figure SMS_24
为绝对相位，
Figure SMS_25
为包裹相位/>
Figure SMS_26
为计算机生成的二分之一周期的二值投影条纹，/>
Figure SMS_27
为条纹级次。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明通过额外投影一幅二值条纹图像来获得解包裹所需的条纹级次，其次利用二分之一二值条纹来对相位进行校正，能够明显消除因边沿跳变产生的误差，并且只需要额外投影两幅图像就能实现相位展开，能够在实现高精度测量的同时提升测量速度。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明实施例中的二值条纹解包裹演变示意图；
图3是本发明实施例中的相位校正演变示意图；
图4是本发明实施例中的测量结果示意图，其中，图4中的(a)为校正前测量结果，图4中的(b)为校正后测量结果。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明所述的基于二值条纹的快速测量方法，原理流程图如图1所示，首先根据条纹级次分布特点，利用二值投影条纹和掩膜将整个图像分割成两个条纹掩膜，再通过连通域对白色像素点进行阶梯式标记，以此获得条纹左右级次；然后，将左级次和右级次逐像素相加，合并为完整的条纹级次；其次，利用二分之一周期的二值条纹，获得与条纹级次半周期错位的互补级次；最后，根据条纹级次和互补级次实现解相；本发明的方法能够达到消除边沿跳变误差的效果，且投影图像数少，能够在实现高精度测量的同时提升测量速度。
本发明所述的基于二值条纹的快速测量方法，包括以下步骤：
步骤一、根据相移法生成12幅正弦图像，根据所投正弦条纹确定二值投影条纹，二值投影条纹通过如下公式获取：
Figure SMS_28
其中/>
Figure SMS_29
为计算机生成的只含0、1像素点的二值条纹，/>
Figure SMS_30
为投影的第一幅正弦条纹，两者周期相同。本实施例中，采用的正弦条纹为16个周期，根据级次特性，为了使包裹相位在2/>
Figure SMS_31
跳变点与条纹级次一一对应，二值条纹也同样采用16个周期。
利用计算机将生成的12步正弦相移图像和二值条纹图像依次投射到待测物表面，相机依次采集被调制后的条纹图像，根据相移法计算出包裹相位。
步骤二、通过分割调制度获得掩膜
Figure SMS_36
，利用二值投影条纹和掩膜/>
Figure SMS_33
将携带物体相位信息的图像分割成两个条纹掩膜/>
Figure SMS_44
和/>
Figure SMS_38
，为了消除环境光线和物体反射特性的不均匀带来的影响，首先确定合适的阈值/>
Figure SMS_45
，阈值/>
Figure SMS_40
的确定采用N幅正弦条纹的背景强度，通过以下公式获得：/>
Figure SMS_47
其次对所采集的二值条纹图像进行二值化，再将其取反，得到两个相反的二值条纹图像，通过以下公式获得条纹掩膜：
Figure SMS_34
Figure SMS_41
其中，/>
Figure SMS_32
与
Figure SMS_43
为两个互补的条纹掩膜，/>
Figure SMS_37
与/>
Figure SMS_42
为两个互补的二值条纹，/>
Figure SMS_39
为分割图像区域的掩膜，通过分割调制度获得，由调制度来确定相位信息的质量，通常1表示信息质量最好，其余的作为噪声滤除。根据实际情况选择合适的阈值T，通过以下公式来判别相位信息是否可靠：/>
Figure SMS_46
其中，/>
Figure SMS_35
为调制度，T为判别相位信息质量的阈值。本实施例中，通过多次实验得出，在进行1 m远距离测试时选取T值取1.8为最佳阈值，而在近距离0.5 m处进行测试则选取T值为3.2为最佳阈值。
然后对连通域的白色像素点进行阶梯式标记，且同一连通域的像素点标记值相同，以此获得条纹左级次
Figure SMS_48
和右级次/>
Figure SMS_49
，并判断左级次/>
Figure SMS_50
是否对应条纹级次的左半周期，右级次/>
Figure SMS_51
是否对应条纹级次的右半周期，若不是，则该级次递增一个阶梯，再将其逐像素相加，最后合并为完整的条纹级次/>
Figure SMS_52
。本实施例中，标记方式为8邻接方式，每个连通域依次从1开始逐阶梯式加1，获得条纹级次范围为1~16，如采集图像像素宽度为M，每个级次各占M/16 pixel，分别对应包裹相位每一个周期。最后进行解相，其过程如图2所示，之后根据条纹级次和互补级次对包裹相位进行展开，如图3所示，所得重建结果如图4中的(a)所示。
步骤三、为了对展开相位进行校正，通过以下公式获得二分之一周期二值条纹：
Figure SMS_54
其中，/>
Figure SMS_58
为计算机生成的二分之一周期的二值投影条纹，/>
Figure SMS_61
为条纹级次，/>
Figure SMS_55
为正弦条纹的周期数，/>
Figure SMS_59
为求余函数。本实施例中，解相采用的二值条纹周期为16，用于校正的二值条纹周期则为8。并对采集到的二值条纹图像进行二值化处理，由于二分之一周期二值条纹相对于条纹级次/>
Figure SMS_62
有半周期偏移，则所获互补级次范围为1~17，级次为1和17的值则各占M/32 pixel，其余为M/16 pixel，通过以下公式获得：/>
Figure SMS_64
步骤四、根据条纹级次和互补级次对包裹相位进行展开，如图3所示，在相位截断处产生的解相错位利用互补级次/>
Figure SMS_53
来做出相应的补偿，其余利用条纹级次/>
Figure SMS_57
正常解相，如下式所示：
Figure SMS_60
其中，/>
Figure SMS_63
为绝对相位，/>
Figure SMS_56
为包裹相位。本实例中，经过校正后重建结果如图4中的(b)所示，校正后没有明显的毛刺误差，展开相位为连续上升曲线。
基于上述步骤，即所提出的基于二值条纹的快速测量方法，利用二值投影条纹获取解包裹对应的条纹级次，再利用二分之一周期的二值条纹，获得与条纹级次半周期错位的互补级次，最后根据条纹级次和互补级次实现解相，能够达到消除边沿跳变误差的效果，且投影图像数少，能够在实现高精度测量的同时提升测量速度。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于二值条纹的快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤： S1、根据所投正弦条纹确定二值投影条纹；
S2、通过分割调制度获得掩膜，利用二值投影条纹和掩膜将携带物体相位信息的图像分割成两个条纹掩膜，并对连通域的白色像素点进行阶梯式标记，且同一连通域的像素点标记值相同，获得条纹左级次和右级次，再将其逐像素相加，合并为完整的条纹级次；
S3、利用二分之一周期的二值条纹，获得与条纹级次半周期错位的互补级次，对展开相位进行校正；
S4、根据条纹级次和互补级次对包裹相位进行展开，在相位截断处产生的解相错位利用互补级次来做出相应的补偿，其余利用条纹级次正常解相；
步骤S3中，对校正相位所采用的二值投影条纹通过以下公式获得：
Figure QLYQS_1
式中，
Figure QLYQS_2
为计算机生成的二分之一周期的二值投影条纹，/>
Figure QLYQS_3
为条纹级次，T为正弦条纹的周期数，mod为求余函数；
对采集到的二值条纹图像进行二值化处理，由于二分之一周期二值条纹相对于条纹级次有半周期偏移，通过以下公式获得新的半周期位移的互补级次：
Figure QLYQS_4
步骤S4中利用条纹级次正常解相公式表达如下：
Figure QLYQS_5
式中，
Figure QLYQS_6
为绝对相位，/>
Figure QLYQS_7
为包裹相位/>
Figure QLYQS_8
为计算机生成的二分之一周期的二值投影条纹，/>
Figure QLYQS_9
为条纹级次。
2.根据权利要求1所述一种基于二值条纹的快速测量方法，其特征在于，步骤S1中，二值投影条纹通过如下公式获取：
Figure QLYQS_10
式中，
Figure QLYQS_11
为计算机生成的只含0、1像素点的二值条纹，/>
Figure QLYQS_12
为投影的第一幅正弦条纹，两者周期相同。
3.根据权利要求1所述一种基于二值条纹的快速测量方法，其特征在于，步骤S2中采用N幅正弦条纹的背景强度确定二值化阈值，公式表达如下：
Figure QLYQS_13
式中，
Figure QLYQS_14
为二值化阈值，/>
Figure QLYQS_15
为第n幅正弦条纹。
4.根据权利要求1所述一种基于二值条纹的快速测量方法，其特征在于，步骤S2中对所采集的二值条纹图像进行二值化，再将其取反，得到两个相反的二值条纹图像，通过以下公式获得条纹掩膜，公式表达如下：
Figure QLYQS_16
式中，
Figure QLYQS_17
与/>
Figure QLYQS_18
为两个互补的条纹掩膜，/>
Figure QLYQS_19
与/>
Figure QLYQS_20
为两个互补的二值条纹，/>
Figure QLYQS_21
为分割图像区域的掩膜，通过分割调制度获得，由调制度来确定相位信息的质量，1表示信息质量最好，其余的作为噪声滤除，通过以下公式判别相位信息是否可靠：
Figure QLYQS_22
式中，
Figure QLYQS_23
为调制度，T为判别相位信息质量的阈值。
5.根据权利要求1所述一种基于二值条纹的快速测量方法，其特征在于，步骤S2中，利用连通域标记白色像素点是以8邻接的方法进行标记。
6.根据权利要求1所述一种基于二值条纹的快速测量方法，其特征在于，步骤S2中，条纹左级次和右级次进行合并时要先判别左级次是否对应条纹级次的左半周期，右级次是否对应条纹级次的右半周期，若不是，则该级次递增一个阶梯，再将其逐像素相加，最后合并为完整的条纹级次。
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