[發明專利]基于GPU并行計算小波變換的光學條紋圖相位提取方法

有效

• 申請號: 201410229216.5
• 申請日: 2014-05-28
• 公開（公告）號: CN103983212B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 余程;李思坤;王向朝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及結構光投影三維面形測量，光學圖像處理方法，尤其涉及一種用于結構光投影的三維面形測量的基于GPU(圖形處理單元)并行計算小波變換的光學條紋圖像相位提取方法。

背景技術

在面結構光投影三維面形測量技術中，CCD記錄結構光被待測物體三維面形調制后的光學條紋圖，對光學條紋圖進行高精度相位提取，是實現實時三維面形測量的關鍵。光學條紋圖的相位提取方法包括：常用的相移法(在先技術1：Shaoyan Gai,Feipeng Da.A novel phase shifting method based on strip marker[J].Opt.&Laser in Engng.2010.48(2):205-211)和傅立葉變換法(在先技術2：盧世江，李勇，王輝等，含孤立物體場景的高速、高密度三維面形采集[J].光電工程，2012,39(1):34-39)已經在動態物體的實時測量中得到了廣泛的應用。小波變換光學條紋圖相位提取方法(在先技術3：李思坤,蘇顯渝,陳文靜.一種新的小波變換空間載頻條紋相位重建方法[J].中國激光,2010,37(12):3060-3065)相對相移法而言，只需要一幅變形光學條紋圖就能得到物體三維面形信息，且不需要精確的相移以及CCD同步，速度更快；相對傅立葉變換法而言，小波變換具備局部化、多分辨率分析能力和更強的噪聲抑制能力。但是小波變換的計算涉及多個尺度因子下的行列循環和卷積運算，數據處理過程依循行列、多尺度的順序逐次循環計算。多次循環計算過程中，每一列像素點相位的計算相互之間獨立，各個尺度之間的計算也各不相關，體現出了很高的計算密度。計算速度無法滿足實時、動態測量的需求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于結構光投影的三維面形測量的基于GPU并行計算小波變換的光學條紋圖相位提取方法，該方法保持了原有小波變換光學條紋圖相位提取方法的精度的同時，提高了數據處理速度。

本發明的技術解決方案如下：

一種用于結構光投影的三維面形測量的基于GPU并行計算小波變換的光學條紋圖相位提取方法，特征在于該方法使用CPU作為主機端和GPU作為設備端的計算平臺對CCD獲取光學條紋圖進行處理，包括以下步驟：

1)在待測物體表面的斜上方設置投影儀，在待測物體表面的斜上方的同一水平面設置所述的投影儀和CCD相機，所述的CCD相機與CPU的輸入端相連，該CPU與GPU相連，所述的CCD相機與待測物體所在的參考平面的距離為L₀，所述的投影系統與所述的CCD相機之間的距離為d，投影儀投影正弦結構條紋到被測物體表面，CCD獲取光學條紋圖，CPU讀入CCD獲取的光學條紋圖，并根據光學條紋圖分辨率以及小波變換中用到的尺度因子大小和數目n，生成各個尺度對應的小波矩陣，并將n個小波矩陣與圖像傳輸至設備端GPU的內存；

2)所述的設備端GPU根據小波變換輪廓術逐個計算每個尺度因子下光學條紋圖的小波變換系數矩陣，并將所有小波變換系數矩陣傳回主機端CPU，計算過程如下：

光學條紋圖中的結構光方向為圖形的行方向，設為x方向，列方向設為y方向光學條紋圖第y行的強度信息如公式(1)所示：

I'(x)_y＝I_1y+I_2ycos(2πfx+Δφ(x)_y) (1)

其中，I_1y為背景光強度，I_2y為條紋的調制度，f為投影條紋的基頻，Δφ(x)_y為由待測物體高度信息引起的調制相位；

采用Morlet復小波對第y行強度信息進行連續小波變換：

其中，W(a,b)_y為第y行小波變換系數，為母波函數Ψ(x)的子波函數，a為尺度因子，b為平移因子，是ψ_a,b(x)的復共軛函數，為卷積核，表示傅立葉變換，表示傅立葉逆變換；

小波變換系數矩陣W(a,b)是光學條紋圖每一行強度信息小波變換之后所求的

小波系數合集：式中M為光學條紋圖的行數；

3)主機端CPU按下列式(3)從所述的n個小波系數矩陣W(a,b)求取小波脊矩陣，按式(4)從小波脊矩陣中求得包裹相位，解包裹之后得到連續的相位分布，再根據測量光路的幾何參數按(5)式恢復待測物體形貌：

取小波變換系數矩陣第b列在所有尺度因子a方向模的極大值點，作為小波變換脊；