CN117190910A - 一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，以相位而非强度去数字化多元格雷码，并以多元进制解码获取阶梯码字，具有良好的鲁棒性和抗噪性，其步骤包括如下：步骤一：确定所需要的多元格雷码灰度级；步骤二：将多元格雷码嵌入相移条纹，并结合相移条纹投影到被测物体表面；步骤三：提取阶梯码字序列去展开相移条纹提取的截断相位；步骤四：计算获取错位校正的阶梯码字；步骤五：获取无歧义的绝对相位，并求取物体的三维形貌；仅通过投影4张编码图像就可以获取超过100个稳定码字，可以有效的还原高频条纹测量的物体形貌，降低测量误差，为高频条纹快速测量提供了一种新的相位展开算法。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术邻域，具体涉及一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法。
背景技术
相位展开算法的研究对于物体重建的完整性具有重要的意义，是条纹投影实时应用的常见瓶颈，为此众多学者针对其展开的准确性和鲁棒性做出了大量的研究。根据展开序列划分，传统的相位展开算法分为空间相位展开展开(Spatially phase unwrapping,SPU)和时间相位展开(Temporal phase unwrapping,TPU)两种。前者基于单幅相位主值图像，依靠与待解像素点相邻的相位主值之间的空间序列关系计算出连续的相位值，在相位值连续不断的理想情况下，空间序列展开的效果显著且平滑的，然而在实际测量下，对于表面不连续或相对独立的测量对象，展开过程往往是复杂且失败的。后者依靠投影除相移法图像外的额外编码图像以获取包含相位跳跃信息的辅助图像(列如额外的相位主值图像或者阶梯条纹图像)，通过辅助图像上各个时间序列的像素点对待展开的相位主值独点展开。时间序列展开弥补了空间序列展开不能测量分离和非连续物体的局限性，其独点展开的方式减少相邻像素点上噪声的传播，具有良好的抗噪性。
格雷编码(WU Zhoujie,GUO Wenbo,ZHANG Qican.Two-frequency phase-shifting method vs.Gray-coded-based method in dynamic fringe projectionprofilometry:A comparative review[J].Optics and Lasers in Engineering,2022,153:106995.)作为基于强度的TPU算法,因其汉明距离为1的独特编码模式，以减少检索条纹时外干扰对条纹码字的影响，确保在错误检索中将误差降至最低。在该法中，以常用二进制形态的格雷码为例，N幅格雷码只能解码2N个条纹码字，编码效率低。而且过多的图像投影会延长数据采集的持续时间，对动态三维测量以及实时扫描要求不够友好。为此，ZHENGDongliang等(ZHENG Dongliang,QIAN Kemao,DA Feipeng,et al.Ternary Gray code-based phase unwrapping for 3D measurement using binary patterns withprojector defocusing[J].Applied Optics,2017,56(13):3660-3665.)提出三灰度格雷码相位展开，通过添加一级灰度级，以投影更少的格雷码换取更多的条纹码字。此外，HEXiaoyu等(HE Xiaoyu,ZHENG Dongliang,QIAN Kemao,et al.Quaternary gray-codephase unwrapping for binary fringe projection profilometry[J].Optics andLasers in Engineering,2019,121:358-368.)在此基础上将格雷码灰度扩展到四灰度，将进一步提高编码效率。然而，在图像采集过程中，光学散焦会引发格雷码各灰度级之间边缘模糊，导致相位误差产生。同时，在格雷码内添加的灰度级越多，其抗噪性越差，数字化解码越发困难。而众所周知，用相位携带信息的鲁棒性优于强度，对传感器噪声、高对比度、环境光等影响不敏感，由此，2012年，WANG Yajun和ZHANG Song(WANG Yajun,ZHANG Song.Novelphase-coding method for absolute phase retrieval[J].Opt Lett.2012,37:2067-2069.)提出一种嵌入阶梯相位的相位编码模式，该法是基于相位的TPU算法，对于测量表面特征复杂的物体具有优越性。但由于有限的相位区间，导致高频码字(大于64个码字)之间的灰度相位差过于窄小，当受到非线性、标定误差、离焦误差等原因的影响时，难以区分需要数字化的相位区间，导致解码错误。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以解决传统时间相位展开算法对高频的截断相位相位展开时出现效率低，误差大，误码率高的问题的多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，该方法将多级灰度的格雷码以相位的形式嵌入相移条纹成为格雷相位编码条纹，结合相移条纹依次投影到被测物体表面，最后从采集的格雷相位编码条纹提取阶梯码字序列信息去展开相移条纹提取的截断相位信息，进而求取物体的三维形貌。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，包括以下步骤：
步骤一：根据所搭建的三维测量系统参数，确定投影图像的条纹参数，宽度W、高度H和条纹频率f；根据条纹参数，获取多元灰度格雷码的灰度级E,将两幅E元格雷码条纹和以相位的形式嵌入相移条纹中，获取四幅阶梯状的E元格雷相位编码条纹；
步骤二：将所设计的条纹图像，即三步相移条纹和/>E元格雷相位编码条纹和/>通过投影仪投射至被测物体表面,并采集被调制的图像/> 和/>
步骤三：对实际测量的调制图像进行解相操作，三步相移条纹解相位为包裹相位并求解图像的背景光强I'；同时，复用背景光强I'结合E元格雷相位编码条纹解相位获取实际测量中的E元格雷相位条纹/>和/>
步骤四：通过实际测量中的E元格雷相位条纹的灰度相位差分割灰度阶梯，获取2幅E元格雷码条纹和/>
步骤五：预先算出理想E元格雷码的十进制数值并且预存在一维数组C中，通过对E元格雷码条纹和/>解码后，映射数组C的下标，获取阶梯码字k1；
步骤六：以0为阈值,复用包裹相位二值化获取一幅更加密集的二值条纹B，用与叠加阶梯码字k1获取前移半个条纹周期的校正码字k2；
步骤七：通过阶梯码字k1和校正码字k2对包裹相位进行错位相位展开，获取无歧义的绝对相位φ，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：
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤一中：相位形式的多元格雷码条纹运算过程具体为：
式中，P表示为单个码字(或单周期)所占像素；E表示格雷码中的灰度级别；n表示所嵌入的多元格雷码幅数；floor(A)表示为不大于A的最大整数；mod(A,B)表示为取A/B的余数。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤一中：阶梯状的格雷相位编码条纹 和/>的运算过程为：
式中，I'为背景光强，I”为调制光强。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤二中：和/>表示对被测物体测量前的理想条纹图像；/>和/>表示对被测物体测量后的实际采集条纹图像。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤三中：实际测量后，复用背景光强I'结合E元格雷相位编码条纹解相位获取的E元格雷相位条纹具体为：
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤四中：2幅E元格雷码条纹和/>的计算过程具体为：
式中，round(A)表示对A进行四舍五入取整。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤五中：E元格雷码条纹和/>多元进制解算后，映射数组C的下标，获取阶梯码字k1的过程描述为：
k1(x,y)＝C(V(x,y))；
式中，V为E元格雷码和/>解码的十进制数值。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤六中：二值图像B以及校正码字k2的计算过程可以描述为：
式中，Filter(·)表示中值滤波。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤七中：绝对相位φ展开过程具体为：
式中，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：
为解决传统时间相位展开法对高频包裹相位解包裹时出现效率低，误差大，误码率高的问题，本发明提出了一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法。
在相位域中，相位宽度总值是定量。传统相位编码法解包裹时，随着相移条纹频率的增加，嵌入的阶梯相位的灰度级别越来越高，各个阶梯间的纵向相位宽度越来越小，在解码阶梯码字时越容易出现错误，会限制阶梯码字的数量。本发明将多元格雷码图案代替阶梯相位嵌入正弦图案，本申请可以较大程度的减少传统相位编码图案中的灰度级别，扩宽编码图案中各个阶梯间的纵向相位宽度，减小测量干扰，提高阶梯码字的上限。
由于本发明在相位域中嵌入多元格雷码，而相位具有稳健性，所以在相机捕获高频条纹图案时，可以减少捕获后的多元格雷码图案的噪声，进而容易通过相位宽度与灰度级去量化变形的多元格雷码，去除环境噪声，并获取高质量的高频阶梯码字。而现有的多元格雷码法是基于光强强度的量化格雷码方法，光强对环境噪声非常敏感，会引入大量噪声，在多元格雷码量化和解码中，会出现大量误差，后期需要进行大量的噪声去除和优化。
本发明采用一维数组对多元格雷码进制解码的值进行映射，获取阶梯码字。将现有的格雷码数组映射从二维数组映射二维数组改为一维数组映射二维数组，映射搜索范围从面范围减小到行范围，提高了解码算法的速度。
相比于现有互补格雷码法，本发明不需要额外再投一张二值格雷码去获取校正码字，只要复用包裹相位叠加阶梯码字就可以获取高质量的校正码字。特别是高频条纹测量时，随着条纹频率的增加，本发明只需4幅编码图案就可以获取超过64的正确阶梯码字和校正码字，而互补格雷码法需要投影的格雷码编码图案超过了7幅。
附图说明
图1为解包裹流程图；
图2为数组C映射下标示意图；
图3为图像数据处理流程图；
图4为测量的三维相貌图。
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多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，本发明的技术方案是:
如图1-4所示，一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，包括有以下步骤:
步骤一：根据所搭建的三维测量系统参数，确定投影图像的条纹参数，宽度W、高度H和条纹频率f；根据条纹参数，获取多元灰度格雷码的灰度级E,将两幅E元格雷码条纹和以相位的形式嵌入相移条纹中，获取四幅阶梯状的E元格雷相位编码条纹；
相位形式的多元格雷码条纹运算过程描述为：
式中，P表示为单个码字(或单周期)所占像素；E表示格雷码中的灰度级别；n表示所嵌入的多元格雷码幅数；floor(A)表示为不大于A的最大整数；mod(A,B)表示为取A/B的余数。
阶梯状的格雷相位编码条纹和/>的运算过程描述为：
式中，I'为背景光强，I”为调制光强。
步骤二：将所设计的条纹图像，即三步相移条纹和/>E元格雷相位编码条纹和/>通过投影仪投射至被测物体表面,并采集被调制的图像/> 和/>
和/>表示对被测物体测量前的理想条纹图像；和/>表示对被测物体测量后的实际采集条纹图像。
步骤三：对实际测量的调制图像进行解相操作，三步相移条纹解相位为包裹相位并求解图像的背景光强I'；同时，复用背景光强I'结合E元格雷相位编码条纹解相位获取实际测量中的E元格雷相位条纹/>和/>
实际测量后，复用背景光强I'结合E元格雷相位编码条纹解相位获取的E元格雷相位条纹的运算过程描述为：
步骤四：通过实际测量中的E元格雷相位条纹的灰度相位差分割灰度阶梯，获取2幅E元格雷码条纹和/>
2幅E元格雷码条纹和/>的计算过程描述为：
式中，round(A)表示对A进行四舍五入取整。
步骤五：预先算出理想E元格雷码的十进制数值并且预存在一维数组C中，通过对E元格雷码条纹和/>解码后，映射数组C的下标，获取阶梯码字k1；
E元格雷码条纹和/>多元进制解算后，映射数组C的下标，获取阶梯码字k1的过程描述为：/>
k1(x,y)＝C(V(x,y))
式中，V为E元格雷码和/>解码的十进制数值。
步骤六：以0为阈值,复用包裹相位二值化获取一幅更加密集的二值条纹B，用与叠加阶梯码字k1获取前移半个条纹周期的校正码字k2；
二值图像B以及校正码字k2的计算过程可以描述为：
k2(x,y)＝Filter[k1(x,y)+B(x,y)]
式中，Filter(·)表示中值滤波。
步骤七：通过阶梯码字k1和校正码字k2对包裹相位进行错位相位展开，获取无歧义的绝对相位φ，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：
式中，为需要获取的绝对相位图像。
基于上述步骤，为解决上述传统的时间相位展开算法对高频的包裹相位进行相位展开时出现效率低，误差大，误码率高的问题，本发明提出了一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，将多灰度级的格雷码以相位阶梯的形式嵌入相移条纹成为格雷相位编码条纹，结合相移条纹依次投影到被测物体表面。从采集的格雷相位编码条纹提取阶梯码字序列去展开相移条纹提取的截断相位，同时，复用包裹相位进行二值化操作去获取一幅黑白条纹间隔半个周期的二值图像，并叠加多元格雷相位编码条纹提取的初始的阶梯码字序列计算获取错位校正的阶梯码字。以初始的阶梯码字和错位校正的阶梯码字去错位展开包裹相位，进而获取无歧义的绝对相位，并求取物体的三维形貌。本发明以相位而非强度去数字化多元格雷码，并以多元进制解码获取阶梯码字，具有良好的鲁棒性和抗噪性。
为解决传统时间相位展开法对高频包裹相位解包裹时出现效率低，误差大，误码率高的问题，本发明提出了一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法。
在相位域中，相位宽度总值是定量。传统相位编码法解包裹时，随着相移条纹频率的增加，嵌入的阶梯相位的灰度级别越来越高，各个阶梯间的纵向相位宽度越来越小，在解码阶梯码字时越容易出现错误，会限制阶梯码字的数量。本发明将多元格雷码图案代替阶梯相位嵌入正弦图案，可以较大程度的减少传统相位编码图案中的灰度级别，扩宽编码图案中各个阶梯间的纵向相位宽度，减小测量干扰，提高阶梯码字的上限。
由于本发明在相位域中嵌入多元格雷码，而相位具有稳健性，所以在相机捕获高频条纹图案时，可以减少捕获后的多元格雷码图案的噪声，进而容易通过相位宽度与灰度级去量化变形的多元格雷码，去除环境噪声，并获取高质量的高频阶梯码字。而现有的多元格雷码法是基于光强强度的量化格雷码方法，光强对环境噪声非常敏感，会引入大量噪声，在多元格雷码量化和解码中，会出现大量误差，后期需要进行大量的噪声去除和优化。
本发明采用一维数组对多元格雷码进制解码的值进行映射，获取阶梯码字。将现有的格雷码数组映射从二维数组映射二维数组改为一维数组映射二维数组，映射搜索范围从面范围减小到行范围，提高了解码算法的速度。
相比于现有互补格雷码法，本发明不需要额外再投一张二值格雷码去获取校正码字，只要复用包裹相位叠加阶梯码字就可以获取高质量的校正码字。特别是高频条纹测量时，随着条纹频率的增加，本发明只需4幅编码图案就可以获取超过64的正确阶梯码字和校正码字，而互补格雷码法需要投影的格雷码编码图案超过了7幅。
上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，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，确定投影图像的条纹参数，宽度W、高度H和条纹频率f；根据条纹参数，获取多元灰度格雷码的灰度级E,将两幅E元格雷码条纹和/>以相位的形式嵌入相移条纹中，获取四幅阶梯状的E元格雷相位编码条纹/> 和/>
步骤二：将所设计的条纹图像，即三步相移条纹和/>E元格雷相位编码条纹和/>通过投影仪投射至被测物体表面,并采集被调制的条纹图像/> 和/>
步骤三：对实际测量的调制图像进行解相操作，三步相移条纹解相位为包裹相位并求解图像的背景光强I'；同时，复用背景光强I'结合E元格雷相位编码条纹解相位获取实际测量中的E元格雷相位条纹/>和/>
步骤四：通过实际测量中的E元格雷相位条纹的灰度相位差分割灰度阶梯，获取2幅E元格雷码条纹和/>
步骤五：预先算出理想E元格雷码的十进制数值并且预存在一维数组C中，通过对E元格雷码条纹和/>解码后，映射数组C的下标，获取阶梯码字k1；
步骤六：以0为阈值,复用包裹相位.化获取一幅更加密集的二值条纹B，用与叠加阶梯码字k1获取前移半个条纹周期的校正码字k2；
步骤七：通过阶梯码字k1和校正码字k2对包裹相位进行错位相位展开，获取无歧义的绝对相位φ，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所述的一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，其特征在于：所述步骤一中：相位形式的多元格雷码条纹运算过程具体为：
式中，P表示为单个码字(或单周期)所占像素；E表示格雷码中的灰度级别；n表示所嵌入的多元格雷码幅数；floor(A)表示为不大于A的最大整数；mod(A,B)表示为取A/B的余数。
3.根据权利要求2所述的一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，其特征在于：所述步骤一中：阶梯状的格雷相位编码条纹和/>的运算过程为：
式中，I'为背景光强，I”为调制光强。
4.根据权利要求3所述的一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，其特征在于：所述步骤二中：和/>表示对被测物体测量前的理想条纹图像；/>和/>表示对被测物体测量后的实际采集条纹图像。
5.根据权利要求4所述的一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，其特征在于：所述步骤三中：实际测量后，复用背景光强I'结合E元格雷相位编码条纹解相位获取的E元格雷相位条纹具体为：
6.根据权利要求5所述的一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，其特征在于：所述步骤四中：2幅E元格雷码条纹和/>的计算过程具体为：
式中，round(A)表示对A进行四舍五入取整。
7.根据权利要求6所述的一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，其特征在于：所述步骤五中：E元格雷码条纹和/>多元进制解算后，映射数组C的下标，获取阶梯码字k1的过程描述为：
k1(x,y)＝C(V(x,y))；
式中，V为E元格雷码和/>解码的十进制数值。
8.根据权利要求7所述的一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，其特征在于：所述步骤六中：二值条纹B以及校正码字k2的计算过程可以描述为：
k2(x,y)＝Filter[k1(x,y)+B(x,y)]；
式中，Filter(·)表示中值滤波。
9.根据权利要求8所述的一种多元格雷相位编码的高频条纹解包裹方法，其特征在于：所述步骤七中：绝对相位φ展开过程具体为：
式中，为需要获取的绝对相位图像。
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2023
- 2023-09-05 CN CN202311136910.8A patent/CN117190910B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117190910B (zh) | 2024-04-05 |
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