一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法技術

本發明專利技術公開了一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法，由相移法原理、量化相位編碼法原理和相位解包裹原理三大關鍵部分組成。具體步驟包括：利用計算機生成三幅正弦條紋圖和一幅相位編碼圖；在(0,π)上設計特定的編碼序列來調制量化編碼相位，特定編碼序列可以在增大碼字數目的同時有效提高解碼的正確率；利用三幅正弦條紋圖求解出包裹相位，一幅嵌入特定編碼序列的相位編碼條紋圖求解出階梯相位；利用特定算法連接分段的條紋級次，最終恢復出正確的連續條紋級次，進而得到物體的絕對相位。本發明專利技術只需四幅圖就能實現物體的三維重建，大大提高了測量速度，在快速測量和動態測量領域具有潛在的應用前景和實用價值。

【技術實現步驟摘要】
一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法
本專利技術涉及一種相位編碼的光學三維重建測量方法，屬于光電檢測
，具體涉及一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法。技術背景現代各個行業及領域對精確、快速獲取物體三維形貌的需求日益增加，三維形貌測量技術在從制造到醫學等眾多領域都發揮著重要作用。在眾多獲取物體的三維信息方法中，光學的三維測量技術由于其非接觸性、高分辨率和高速的優勢而被廣泛應用，逐漸成為三維形貌測量領域的趨勢。隨著光電子技術的崛起，光學檢測已發展為以光學為主，并與信息科學、空間科學、精密儀器制造及計算機科學等學科緊密交叉和相互滲透的技術。通過對國內外研究現狀及發展動向的分析研究，傳統的三維測量技術己經發展較為成熟，但物體三維形貌的快速和高精度測量技術一直是一項具有挑戰的任務。近年來快速、實時和高精度的三維測量在許多應用領域至關重要，例如：工業檢測及制造、虛擬現實、生物醫療、逆向工程等方面都有著廣泛的應用。因此如何開展快速、實時和高精度的三維測量已經成為了當前研究的興趣和熱點，即：如何采用更少的條紋投影圖精準的求解待測物體的絕對相位。在傳統相位編碼測量方法中，至少需要六幅條紋圖像，才能求解出絕對相位，其圖像信息的數據處理時間長，大大降低了測量速度。本專利技術提出一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法，其中涉及一種快速相位解包裹方法，只需要四幅條紋圖即可求解出絕對相位，相比于傳統的相位編碼方法，具有較高的測量速度。其次本方法在(0,π)設計特定的編碼序列調制量化編碼相位，在增大碼字數目的同時有效提高解碼的正確率，在快速測量和動態測量領域中具有潛在的應用前景和實用價值。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法，其中涉及一種快速相位解包裹方法，此方法只需投影三幅正弦相移條紋圖和一幅相位編碼條紋圖即可求解絕對相位，在測量速度上有了明顯的提高，在快速測量和動態測量領域中具有潛在的應用前景和實用價值。為了實現上述目的，本專利技術采用了以下技術方案，該方法包括下列步驟：步驟一：利用計算機生成三幅正弦條紋圖和一幅相位編碼條紋圖；步驟二：利用特定的編碼序列在(0,π)上對編碼相位進行調制量化，將特定編碼序列嵌入一幅相位編碼條紋圖中，再通過相機采集投影到被測物體上的正弦條紋圖和相位編碼條紋圖；步驟三：利用三幅正弦條紋圖得到物體的包裹相位，利用一幅嵌入特定編碼序列的相位編碼條紋圖得到階梯相位，再利用特定算法連接分段條紋級次，最終恢復出正確的連續條紋級次，進而求得物體的絕對相位；步驟四：通過獲得的絕對相位，在利用相位-高度公式求得物體的真實高度信息。優選的，所述步驟一具體為：利用計算機生成三幅相移分別為-2π/3、0、2π/3的正弦條紋圖I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)和一幅相位編碼條紋圖I4(x,y)，所述三幅正弦條紋圖和相位編碼條紋圖的光學表達式分別為：I4(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(φs(x,y))(4)其中A(x,y)為平均強度，B(x,y)為調制強度，為包裹相位，φs(x,y)為編碼相位。優選的，所述步驟二中，所述的一幅相位編碼條紋圖中嵌入的特定編碼序列CS設計為：CS＝"024130241302413......"(5)其中，保證相鄰碼字之差大于等于2，利用特定編碼序列CS調制量化相位，所述的嵌入特定序列的編碼相位φs(x,y)可以用公式(6)表示：其中，L表示量化等級，L＝5，x為投影儀水平方向上的分辨率，p為條紋間距或每個條紋周期的像素數，floor[x]為取整函數，CS[x]為設計的特定編碼序列的第x個碼字。優選的，所述步驟三具體為：利用三幅正弦條紋圖求得平均強度A(x,y)，調制強度B(x,y)，包裹相位其表達式分別為：A(x,y)＝(I1+I2+I3)/3(7)B(x,y)＝[(I1-I3)2/3+(2I2-I1-I3)2/9]1/2(8)利用嵌入特定編碼序列的相位編碼條紋圖求得階梯相位φs'(x,y)，其表達式分別為：利用公式(11)確定返回的碼字，其表達式為：C(x,y)＝round[L×φs'(x,y)/π](11)利用公式(12)確定分段條紋級次，其表達式為：再利用公式(13)連接分段條紋級次，其表達式為：其中，k2(i,j)是第(i,j)個像素所屬的子區域序列號，k1(i,j)是每行的第(i,j)個像素對應的條紋級次序列號；通過求解的k1和k2，利用公式(14)求得最終正確的連續條紋級次k，其表達式為：k＝k1+L×k2(14)通過求解出的條紋級次k(x,y)，利用公式(15)求解出最終的絕對相位，其表達式為：優選的，所述步驟四具體為：通過步驟三獲得的絕對相位，進行相位-高度轉換，利用公式(16)得到待測物體真實的高度信息，其表達式為：其中f0為參考平面上的正弦條紋頻率，Δφ為待測物體表面和參考平面對應點的絕對相位差，d為投影儀和相機之間的距離，l為投影儀和相機到參考平面的距離。本專利技術的優點在于：1、本專利技術與傳統相位編碼方法相比：傳統相位編碼方法至少需要六幅圖才能重建物體的三維形貌，本專利技術只需四幅圖就能獲取物體的真實三維形貌，比傳統方法的測量速度更快，碼字更多；2、本專利技術使用特定序列調制量化編碼相位，使相鄰碼字之差大于等于2，提高了解碼的精度，使用分段編碼的方法，提高了碼字的數目，有效解決了條紋級次在2π相位跳變點出錯的問題；3、由于投影條紋圖幅數少，測量速度快，本專利技術在快速、實時的動態物體的測量中具有潛在的應用前景和實用價值。附圖說明圖1為本專利技術用于三維測量的測量系統示意圖；圖2a、圖2b、圖2c和圖2d為本專利技術實施例中生成的三幅正弦條紋圖和一幅相位編碼條紋圖，其中圖2a為正弦條紋圖I1(x,y)，圖2b為正弦條紋圖I2(x,y)，圖2c為正弦條紋圖I3(x,y)，圖2d為相位編碼條紋圖I4(x,y)；圖3為本專利技術實施例中被測物體的包裹相位與編碼相位的某一行；圖4為本專利技術實施例中被測物體的包裹相位與條紋級次的某一行；圖5為本專利技術實施例中被測物體的絕對相位圖。具體實施方式依據本專利技術的技術方案，以下具體實施方式和附圖僅是對本專利技術的技術方案的示例性說明，而不應當視為本專利技術的全部或者視為對本專利技術技術方案的限制或限定。以下結合附圖說明對本專利技術的實例作進一步詳細描述，但本實例并不用于限制本專利技術，凡是采用本專利技術的相似結構及其相似變化，均應列入本專利技術的保護范圍。如圖1所示，本專利技術的一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法的光學條紋投影測量系統，包括DLP投影儀1、CCD相機2、工作站3、測量金屬支架4、參考平面5、待測物體6。DLP投影儀1和CCD相機本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法，其特征在于：/n步驟一：利用計算機生成三幅正弦條紋圖和一幅相位編碼條紋圖；/n步驟二：利用特定編碼序列在(0,π)上對編碼相位進行調制量化，將特定編碼序列嵌入一幅相位編碼條紋圖中，再通過相機采集投影到被測物體上的正弦條紋圖和相位編碼條紋圖；/n步驟三：利用三幅正弦條紋圖得到物體的包裹相位，利用一幅嵌入特定編碼序列的相位編碼條紋圖得到階梯相位，再利用特定算法連接分段條紋級次，最終恢復出正確的連續條紋級次，進而求得物體的絕對相位；/n步驟四：通過獲得的絕對相位，在利用相位-高度公式求得物體的真實高度信息。/n

【技術特征摘要】
1.一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法，其特征在于：
步驟一：利用計算機生成三幅正弦條紋圖和一幅相位編碼條紋圖；
步驟二：利用特定編碼序列在(0,π)上對編碼相位進行調制量化，將特定編碼序列嵌入一幅相位編碼條紋圖中，再通過相機采集投影到被測物體上的正弦條紋圖和相位編碼條紋圖；
步驟三：利用三幅正弦條紋圖得到物體的包裹相位，利用一幅嵌入特定編碼序列的相位編碼條紋圖得到階梯相位，再利用特定算法連接分段條紋級次，最終恢復出正確的連續條紋級次，進而求得物體的絕對相位；
步驟四：通過獲得的絕對相位，在利用相位-高度公式求得物體的真實高度信息。


2.如權利要求1所述的一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法，其特征在于，所述步驟一具體為：利用計算機生成三幅相移分別為-2π/3、0、2π/3的正弦條紋圖I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)和一幅相位編碼條紋圖I4(x,y)，所述三幅正弦條紋圖和相位編碼條紋圖的光學表達式分別為：









I4(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(φs(x,y))(4)
其中A(x,y)為平均強度，B(x,y)為調制強度，為包裹相位，φs(x,y)為編碼相位。


3.如權利要求2所述的一種基于相位編碼的四幀快速三維測量方法，其特征在于：所述步驟二中的一幅相位編碼條紋圖中嵌入的特定編碼序列CS設計為：
CS＝"024130241302413......"(5)
其中，保證相鄰碼字之差大于等于2，利用特定編碼序列CS調制量化相位；
所述的嵌入特定序列的編碼相位φs(x,y)可以用公式(6)表示：



其中，L表示量化等級，L＝5，x為投影儀水平方向上的分辨率，p為條紋間距或...

【專利技術屬性】
技術研發人員：伏燕軍，田詩揚，桂建楠，方利華，鐘匯凱，
申請(專利權)人：伏燕軍，
類型：發明
國別省市：江西;36