[發(fā)明專利]基于小波變換的三維測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010565765.1
• 申請日: 2010-11-30
• 公開（公告）號: CN102032877A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發(fā)明（設計）人: 達飛鵬;黃昊
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于三維信息重構(gòu)的領域。基于黑白正弦光柵投影，采用小波變換法分析變形條紋圖像求解相對相位，建立質(zhì)量圖指導相位展開，得到精確絕對相位的過程。

背景技術(shù)

三維測量技術(shù)能夠描述物體的三維特征和獲取物體表面的三維信息，在產(chǎn)品檢測和加工控制、醫(yī)療領域、文物保護領域、航空航天領域、文化領域等有著廣泛的應用。

光柵投影法是一種重要的三維測量技術(shù)，通過向物體表面投射正弦光柵，將物體的高度信息以相位的形式隱含在光柵中，利用CCD獲得物體表面的光柵條紋圖像，并使用特定算法對條紋圖像進行處理，提取其中的相位，從而建立物體的三維信息。常用的求解條紋圖像相位的方法有相移法、傅里葉變換法、窗口傅里葉變換法、小波變換法等。

傅里葉變換法由于只需采集一幅條紋圖像即可完成相位的測量，可以實現(xiàn)動態(tài)測量，應用非常廣泛。但是傅里葉變換是一種全局的信號分析工具，不能提取局部信號的特征，在變換中存在的頻譜混疊問題影響著相位測量的精度。近年來，隨著小波分析理論的迅速發(fā)展，小波變換被引入光學三維測量領域，使用小波變換分析條紋圖像進而實現(xiàn)物體的三維測量，即小波變換輪廓術(shù)。小波分析是一種分析非平穩(wěn)信號的有效工具，相比于已經(jīng)在信號處理領域得到廣泛應用的傳統(tǒng)傅里葉變換法，小波變換在分析信號的局部特征時更有優(yōu)勢。小波變換具有多分辨率分析的特性，不僅能夠像傅里葉變換那樣得到信號的整體特征，而且能夠?qū)植啃盘柕募毠?jié)進行分析，具有較好的時間/空間局部性。所以采用小波變換求解條紋圖像的相位避免了傅里葉變換中出現(xiàn)的頻譜混疊問題，測量精度更高。

小波變換法求解得到的相位值都是介于0-2π的，所以需要相位展開過程。為了實現(xiàn)動態(tài)測量，一般不采用添加輔助圖像增加信息協(xié)助相位展開。簡單的掃描線展開相位方法運算速度非常快，但魯棒性不高，容易出現(xiàn)錯誤傳遞現(xiàn)象。質(zhì)量圖指導相位展開算法通過對條紋圖像建立一幅反映每一像素點可靠性的質(zhì)量圖選取一條最佳的相位展開路徑，這種方法魯棒性較高，能夠相對精確地展開相位，但運算時間較長，不適用于實時測量。

質(zhì)量指導相位展開算法的關(guān)鍵步驟是質(zhì)量圖的建立。質(zhì)量圖主要有以下幾種建立方法。相位梯度法，每個點與四鄰的相位梯度的最大值作為每個點的質(zhì)量值，質(zhì)量值越大，說明該點的質(zhì)量越差。表面向量質(zhì)量圖法，使用每一點的法向量和CCD投影方向的負單位向量的內(nèi)積作為該點的質(zhì)量值，法向量可由該點和四鄰點的相位值計算得出。以上兩種方法沒有涉及到小波變換的參數(shù)，并不適用于小波變換輪廓術(shù)。小波變換脊幅值法，根據(jù)小波變換脊處的模值表示局部信號和小波函數(shù)相似程度的原理，利用小波變換脊的模值建立質(zhì)量圖，指導初始相位的展開，這種方法充分利用了小波變換得到的矩陣，但這種質(zhì)量圖建立方法沒有考慮小波變換脊處的尺度因子，當脊處的尺度因子過大或者過小時，模值不能準確說明局部信號的質(zhì)量好壞；并且當局部信號的幅值變化時，小波變換矩陣中小波脊處的幅值也會變化，故不能準確描述局部信號的正弦性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：針對小波變換輪廓術(shù)中相位展開的精確性和實時性問題，本發(fā)明的目的在于提高小波變換相位展開過程的速度和求解絕對相位的精度。本方法充分利用了小波變換矩陣中的有用信息，結(jié)合了直接相位展開速度快和洪水相位展開法精度高的優(yōu)點，只需投影一幅條紋圖像，實現(xiàn)對較復雜物體表面三維信息的獲取，具有較高的精確性，同時實時性較好。

技術(shù)方案：一種基于小波變換的三維測量方法，具體步驟如下：

步驟1：將黑白條紋圖像投影到被測物體表面，使用CCD對被測物體表面進行拍攝，得到一幅高度為c、寬度為r的變形條紋圖像g(x，y)：

g(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[2πf₀x+φ(x，y)]

其中，A(x，y)是背景光強分布，B(x，y)是物體表面反射率，f₀是正弦條紋頻率，φ(x，y)是待求的相對相位分布，(x，y)表示變形條紋圖像的二維坐標，

步驟2：對變形條紋圖像逐行做小波變換，得到變形條紋圖像的相對相位分布圖，具體過程如下：

步驟2.1：將y視為常數(shù)，采用一維連續(xù)小波變換對變形條紋圖像g(x，y)的第y行進行處理，處理過程為：