[發明專利]基于邊緣檢測的快速相位展開方法、裝置、設備及介質

有效

• 申請號: 202110648159.4
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113393481B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 劉宏立;石博;馬子驥;倪雪峰;劉建偉;董湘龍
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G06T7/13
• 分類號: G06T7/13;G06T5/00;G06V10/44;G01B11/25
• 代理公司: 長沙瀚頓知識產權代理事務所(普通合伙) 43223
• 代理人: 吳亮;朱敏

本發明提供了一種基于邊緣檢測的快速相位展開方法、裝置、設備及介質，方法包括：獲取變形條紋圖像；其中，所述變形條紋圖像由理想光柵條紋經被測物調制生成；利用邊緣檢測算子識別與定位包裹相位圖的邊界，獲得包裹相位圖的邊緣檢測結果；對邊緣檢測結果中的異常邊緣點進行校正，將校正后的邊緣點映射成初始條紋級數；優化初始條紋級數，再利用優化后的條紋級數計算所述光柵條紋圖像對應的絕對相位。本發明實現了絕對相位的快速恢復。

技術領域

本發明涉及計算機技術領域，尤其涉及一種基于邊緣檢測的快速相位展開方法、裝置、設備及介質。

背景技術

條紋投影輪廓術是一種全視場、非接觸式、高效率和高精度的光學三維測量技術，現已被廣泛應用于增材制造、虛擬現實、生物醫學和工業檢測等領域中。條紋投影輪廓術通過投影設備向被測物表面投射一幅或多幅具有一定編碼規律的條紋圖案，利用相機對變形條紋進行實時采集并將采集到的條紋圖像傳輸至計算機中進行處理，最后根據系統的幾何關系恢復出物體的三維點云。當編碼條紋接觸物體表面時，條紋會發生形變。條紋的形變主要體現在相位的變化上，而相位的變化間接反映了物體表面深度的變化。因此，從變形條紋中提取準確的相位信息對測量精度至關重要。常用的相位提取方法有傅里葉變換法和相移法。由于兩者均使用了反正切函數，導致相位在(-π,π]呈周期性變化，此相位也被稱為包裹相位。為了獲得真實的連續相位，需要對包裹相位進行相位展開操作。

目前，相位展開方法主要有空間相位展開法、時間相位展開法和基于深度學習的相位展開法。

空間相位展開法通過分析包裹相位圖中空間相鄰元素之間的相位值來恢復連續相位。常見的空間相位展開法有枝切法、質量引導法、最小不連續性法和最小范數法。

時間相位展開法通過投射一系列輔助條紋確定條紋級數，然后結合包裹相位來恢復絕對相位。常見的時間相位展開法有格雷碼加相移法、多頻/多波長相移法和相位編碼法。

格雷碼加相移法需要向被測物上分別投射一組光柵條紋和格雷碼圖案。其中，光柵條紋被用來計算包裹相位，而格雷碼圖案被用來確定條紋級數。圖1(a)為4位格雷碼圖案，對應2⁴個碼字，如圖1(b)所示，可編碼條紋級數的范圍為0～15。

多頻/多波長相移法通過投射兩組以上不同頻率的光柵條紋，根據條紋之間的頻率/周期關系，通過低頻條紋的相位來輔助高頻條紋的相位恢復。以三頻外差為例，其相位展開過程如圖2所示。將三個不同頻率的包裹相位兩兩疊加合成全場唯一的連續相位，再利用合成的連續相位反向求解高頻條紋的條紋級數，從而恢復出高頻條紋的絕對相位。

相位編碼法是將條紋級數嵌入正弦光柵條紋中并通過投影設備投射至被測物上，然后利用相移法從相位編碼條紋中提取條紋級數來恢復絕對相位，其展開過程如圖3所示。

基于深度學習的相位展開方法通過設計和構建相位神經網絡，將包裹相位作為網絡的輸入，而網絡輸出一般為條紋級數或者絕對相位圖。常用的相位展開網絡有PhaseNet和U-Net網絡。

現有技術中，空間相位展開法僅需投射極少的條紋圖案即可恢復絕對相位，常被用于動態三維測量中。然而，空間相位展開法易受噪聲、展開路徑和被測物表面特征等因素影響而引入相位誤差，并造成相位誤差的累積和傳遞。除此之外，空間相位展開方法不太適用于大梯度和不連續物體的相位恢復。

時間相位展開法通過投射輔助條紋來確定條紋級數。由于時間相位展開法是對每個點進行獨立計算，所以具有較高的精度和魯棒性，常被用于復雜和不連續物體的相位恢復。然而，由于時間相位展開法需要投射額外的條紋圖案，所以測量效率較低，不適合動態測量。

基于深度學習的相位展開算法在一定程度上可以提高相位展開的效率，但由于前期需要大量的訓練樣本和復雜的訓練過程，所以通用性和實時性不高。

綜上所述，現存方法難以平衡相位恢復效率和準確性之間的關系。

發明內容