CN116310353A - 一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二值条纹解相的三维测量方法，首先，通过投影1幅二值条纹图像，利用条纹级次分布特点，将携带物体相位信息的图像分割成两个条纹掩膜，利用连通域对白色像素点进行阶梯式标记，以此获得条纹级次，其次，由于环境噪声等干扰因素导致解相时出现跳变误差，提出了通过融合半周期位移级次的方法来对相位进行补偿，利用解相的二值条纹来获取半周期错位的互补级次根据条纹级次和互补级次实现解相进行实验验证；本文方法解决了相位展开时出现的毛刺问题，并以平板为测量对象，利用本文方法测得的均方根误差为0.1980 mm，且只需要1幅图像即可完成解相，具有良好的鲁棒性和有效性，可应用于快速测量领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构光三维快速测量领域，具体是一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法。
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。
在实际测量时，由于实验室周围环境噪声的干扰，相机镜头散焦以及待测物体表
面反射率的不均匀产生的反光现象，导致采集的二值条纹图像不是理想的0、1分布，出现周
期错位，在相位的2
跳变点附近引入相位展开误差，使最后的绝对相位值的变化不连续。
因此，减少环境噪声等影响始终是一个关键点。
为了解决环境噪声的影响，国内外学者提出许多方法。在对静态场景进行测量时，通过投影一幅全黑和一幅全白的图像来确定二值化阈值（Laughner J I, Zhang S, Li H,et al. Mapping cardiac surface mechanics with structured light imaging[J].American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 2012, 303(6): H712-H720.），通过投影的正弦条纹的均值来确定二值化阈值（Wu Z , Zuo C , GuoW , et al. High-speed three-dimensional shape measurement based on cycliccomplementary Gray-code light[J]. Optics Express, 2019, 27(2):1283.），不需要额外投影图像。一种附加二值条纹的相位误差校正方法（刘路,潘艳娟,奚冬冬,王玉伟,唐七星.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(05):978-983.），新引入的一幅半周期错位的二值条纹根据条纹级次的特性使级次位移半周期，原级次与位移级次的互补特性可以有效消除相位展开误差。除此之外，在对动态场景进行测量时，通过投影一个额外的格雷码来扩展该码字（Zhang Q , Su X , Xiang L , et al. 3-Dshape measurement based on complementary Gray-code light[J]. Optics andLasers in Engineering, 2012, 50(4):574-579.），并使用传统码字和附加码字的不同和互补的边界位置来解决边沿跳变问题。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够明显消除因边沿跳变产生的误差，并实现高精度测量的同时提升测量速度的基于二值条纹三维测量的相位补偿方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据所投正弦条纹确定二值条纹；
步骤二、通过分割调制度获得掩膜，利用二值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，以此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；
步骤三、通过采用融合半周期位移级次的方法，获得与条纹级次半周期错位的互补级次，对相位误差进行补偿；
步骤四、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。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤一中，二值条纹通过如下公式获取：
其中
为计算机生成的只含0、1像素点的二值条纹，
为投影的第一幅正
弦条纹，且两者周期相同。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤二中，利用二值条纹和掩膜将图像分割为两个条纹掩膜的过程如下：
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；然后利用掩膜分别将其进行分割，1值区域被处理，被屏蔽的0值区域不被包括在计算中，提取出图像中与掩膜相似的结构特征，用于消除环境光线和物体反射特性的不均匀带来的影响并确定合适阈值。
作为本发明的一种优选实施方式：所述确定合适阈值的操作具体为：采用N幅正弦条纹的背景强度，对N幅正弦条纹求和取其均值作为合适的阈值。
作为本发明的一种优选实施方式：所述利用掩膜分别将其进行分割的操作具体是通过分割调制度获得，并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，当调制度大于等于阈值时置1，当调制度小于阈值时置0。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤二中，利用连通域标记白色像素点是以8邻接的方法进行标记。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤二中，左级次与右级次进行合并时具体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。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤三中，在获得左右半周期级次的基础上，将右级次左移半个周期，得到互补的左级次，而左级次则作为互补的右级次。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤三中，将处理后的左级次和右级次叠加为完整的互补级次，使条纹级次整体向左移动半个条纹周期，与主级次形成错位。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
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，其次采用融合半周期位移级次的方法来对相位误差进行补偿，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一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为本发明的方法流程图；
图2为本发明实施例中的二值条纹解包裹演变示意图；
图3为本发明实施例中的相位补偿方法示意图。
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。
本发明所述的基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，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，采用融合半周期位移级次的方法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三维测量的相位补偿方法，包括以下步骤：
步骤一、根据所投正弦条纹确定二值条纹，二值条纹通过如下公式获取：
其中
为计算机生成的只含0、1像素点的二值条纹，
为投影的第一幅正
弦条纹，两者周期相同。
步骤二、通过分割调制度获得掩膜，利用二值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，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，阈值的确定采用N幅正弦条纹的背景强度，通过以下公式获得：
其中，
为二值化阈值，
为第n幅正弦条纹。
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：
其中，
与
为两个互补的条纹掩膜，
与
为两个
互补的二值条纹，
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，通过以下公式来判别相位信息是否可靠：
其中，
为调制度，T为判别相位信息质量的阈值。
然后对连通域的白色像素点进行阶梯式标记，标记的方式为8邻接方式，且同一连通域的像素点标记值相同，以此获得条纹左级次和右级次，并判断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。本实例以四步相移为例，采用的正弦条纹为32个周期，最后解包裹的结果如图2所示。
步骤三、为了对相位误差进行补偿，在获得左右半周期级次的基础上，通过以下公式将右半级次非0部分加1，即左移半个周期，得到互补的左级次，而左级次作为互补的右级次：
其中，
为互补左级次，
为右级次，
为互补右级次，
为
左级次。然后将处理后的互补左级次和互补右级次叠加为完整的互补级次，使条纹级次整
体向左移动半个条纹周期，与主级次形成错位，如下式所示：
步骤四、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，如下式所示：
其中，
为绝对相位，
为包裹相位。本实例中，对相位误差进行补偿过
程如图3所示。
基于上述步骤，即所提出的基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，利用二值条纹获取解包裹对应的条纹级次，再采用融合半周期位移级次的方法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。
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 (9)
1.一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据所投正弦条纹确定二值条纹；
步骤二、通过分割调制度获得掩膜，利用二值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，以此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；
步骤三、通过采用融合半周期位移级次的方法，获得与条纹级次半周期错位的互补级次，对相位误差进行补偿；
步骤四、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。
2.根据权利要求1所述的一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于：所述步骤一中，二值条纹通过如下公式获取：
其中/>
为计算机生成的只含0、1像素点的二值条纹，/>
为投影的第一幅正弦条纹，且两者周期相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于：所述步骤二中，利用二值条纹和掩膜将图像分割为两个条纹掩膜的过程如下：
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；然后利用掩膜分别将其进行分割，1值区域被处理，被屏蔽的0值区域不被包括在计算中，提取出图像中与掩膜相似的结构特征，用于消除环境光线和物体反射特性的不均匀带来的影响并确定合适阈值。
4.根据权利要求3所述的一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于：所述确定合适阈值的操作具体为：采用N幅正弦条纹的背景强度，对N幅正弦条纹求和取其均值作为合适的阈值。
5.根据权利要求3所述的一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于：所述利用掩膜分别将其进行分割的操作具体是通过分割调制度获得，并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，当调制度大于等于阈值时置1，当调制度小于阈值时置0。
6.根据权利要求1所述的一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于：所述步骤二中，利用连通域标记白色像素点是以8邻接的方法进行标记。
7.根据权利要求1所述的一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于：所述步骤二中，左级次与右级次进行合并时具体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。
8.根据权利要求1所述的一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于：所述步骤三中，在获得左右半周期级次的基础上，将右级次左移半个周期，得到互补的左级次，而左级次则作为互补的右级次。
9.根据权利要求8所述的一种基于二值条纹三维测量的相位补偿方法，其特征在于：所述步骤三中，将处理后的左级次和右级次叠加为完整的互补级次，使条纹级次整体向左移动半个条纹周期，与主级次形成错位。
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Non-Patent Citations (2)
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