[發(fā)明專利]彩色條紋編碼的相位去包裹方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810236422.3
• 申請日: 2008-12-23
• 公開（公告）號: CN101441066A
• 公開（公告）日: 2009-05-27
• 發(fā)明（設計）人: 李兵;蔣莊德;丁建軍;黃夢濤;王沙威
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25;G06T7/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 張震國

技術領域

本發(fā)明屬于三維傳感和測量領域，可廣泛應用于三維物體形貌的靜態(tài)、動態(tài)及在線檢測，實現(xiàn)光學相移法檢測三維物體輪廓的相位解調(diào)的級次判定的彩色條紋編碼的相位去包裹方法。

背景技術

在現(xiàn)代產(chǎn)品快速開發(fā)及制造領域，物體的三維形貌測量已得到廣泛應用。光學相移法與其它結構光測量方法相比，因其可進行全場測量，具有測量速度快、精度高、可實現(xiàn)儀器的便攜式檢測等特點，被廣泛應用于航空航天、機械制造、醫(yī)療診斷、計算機輔助設計/制造、機器人視覺系統(tǒng)以及在線檢測與質量控制等領域。

相位測量原理

相移技術在光學相干測量中有著重要的地位，它廣泛地應用于全息照相、數(shù)字散斑及光柵投影式三維輪廓測量中。其基本思想是：通過引入已知的相移量，人為地改變條紋的相位，比較物體上同一點在不同相移量下光強的變化來求解該處的相位。當一個正弦光柵投射到物體上時，受物體高度的調(diào)制，變形光柵條紋的光強表示為：

其中，a(x，y)為背景光強，b(x，y)/a(x，y)為對比度，為包含物體高度信息的相位因子。控制光柵沿與柵線垂直的方向以2π/N為步距作N步相移，可獲取N幀相移條紋圖形，記為I_k，其中k＝0，1，...，N-1(N≥3)。則相位為

當k＝4時，有

即所謂的4步相移法，而當k＝3時，為3步相移法等。

由式(3)可以看出，值被限定在反正切函數(shù)的主值范圍內(nèi)，即-π～+π。因此相移法輪廓測量技術中，為了從相位值求得被測物體的高度分布，必須將由于反三角運算引起的截斷(或稱為包裹)相位恢復成原來的相位分布，把這一過程稱為相位展開，或相位去包裹。設為原理相位，Φ(x，y)為真實相位(或稱絕對相位)，則有

去包裹的過程實際上就是求解式(4)中的整數(shù)n的過程。

可見在光學相移法三維形貌測量中，需要通過反正切函數(shù)計算包含物體三維高度信息的相位值，而反正切函數(shù)的值不是一一對應的，為了得到準確的相位值，需要確定反正切函數(shù)的n值，這一步驟被稱作相位去包裹。

相位去包裹方法

傳統(tǒng)的相位去包裹算法大體上分為兩大類：空域相位展開和時域相位展開。第一大類包括：行列逐點算法、分割線算、區(qū)域分割算法等等，這些方法或多或少都存在相位誤差的面內(nèi)累積傳播，且要求被測表面是連續(xù)和緩變的，這類方法的適用范圍大大受到限制。第二大類包括：雙頻光柵法、非線性小數(shù)重合法、絕對莫爾法、交叉光柵法等等，這些方法不存在面內(nèi)累積誤差，可用于不連續(xù)及陡峭被測表面，相對于第一類方法，在精度和適應性上有相當大的提高。然而這些方法在時間軸上，需要采集多幅圖像，才能求解相位，只適應于對測量時間沒有特殊要求的靜態(tài)測量，動態(tài)測量時的效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種使光學相移法不僅能實現(xiàn)三維物體形貌靜態(tài)測量，而且實現(xiàn)了動態(tài)及在線測量，只需一幅圖像，應用極其簡單的算法，快速得到相位去包裹結果，進一步提高了光學相移法的適應范圍，解決了工程實際當中的難題，縮短新產(chǎn)品開發(fā)的周期，有效地控制產(chǎn)品質量的彩色條紋編碼的相位去包裹方法。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：在獲得相移測量的原理相位的基礎上，用彩色條紋編碼條紋圖求解中的“n(x，y)”，沿著條紋排列的垂直方向進行解相，其具體步驟為：

1)首先，設置N個彩色編碼條紋顏色為一個條紋圖的周期即組，將這些條紋用兩位數(shù)字“i?j”進行編碼，“i”表示條紋圖的周期即“組”，“j”表示條紋的顏色代碼，j＝0，1，…，N-1，N是條紋的顏色數(shù)；

2)然后將彩色編碼條紋投射至被測三維物體表面，彩色條紋寬度與相移測量條紋寬度相同；

3)其次，使用彩色CCD攝像機采集變形的彩色編碼圖，并通過彩色數(shù)字圖像卡將圖像數(shù)據(jù)輸送至計算機；

4)采取對每種顏色的條紋個數(shù)分別計數(shù)的方法，選出數(shù)目最大的值，以確定圖形中條紋的周期數(shù)，假設M是其中最多的條紋數(shù)，對應于“k”顏色，則條紋的周期數(shù)為M，以顏色“k”作為兩個周期條紋的分界線，即以“k”值作為每個周期的開始條紋，兩個“k”之間的區(qū)域為同一周期，每個周期依次定義為i＝0，1，…，M-1；

5)根據(jù)對彩色條紋進行編碼的兩位數(shù)字編碼和顏色條紋計數(shù)，得到正弦條紋級次的表達式

n(x，y)＝Ni(x，y)+[j(x，y)-k]_comp