CN113029039A - 一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法。所述基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法包括以下步骤：S1编码彩色条纹；S2将彩色条纹投影到待测物体上，CCD获取彩色变形条纹；S3从彩色变形条纹中提取两组相位信息；S4用附加相位对主相位进行相位矫正，得到准确相位信息。本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法具有投影仪将编码的条纹投射到物体上，然后相机收集捕捉到的彩色变形条纹，可从彩色变形条纹中提取出编码到的两组相位信息，并对相位信息进行包裹相位的计算和解包裹，得到两组展开相位，最后用第二组展开相位对第一组进行相位校正，可得到精确相位，最终提高三维测量的精度。

Description

一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法。

背景技术

三维测量在许多领域非常重要，如测绘工程，建筑与古迹测量，在三维测量领域中，快速获取物体高精度数据一直是一个重要的技术难点，早期人们通过接触式测量对物体进行三维形貌的提取，接触式测量虽然原理简单，实施过程容易，对测量环境无要求，但其精度低，成本高，容易损坏待测物体等缺点使在人体检测，建筑与古迹测量，文物保护等方面难以被使用。

随着现代工业化的不断扩大，非接触式光学三维测量技术在质量检测、逆向工程、人体检测，文物保护等诸多领域得到了广泛的应用，在光学三维测量技术中，条纹投影技术由于其具有非接触性、低成本、分辨率高等特点，是目前应用最广泛的三维测量技术之一，针对条纹投影技术，存在傅立叶变换、小波变换和相移算法等提取包络相位的方法。

然而，对于形状复杂的测量对象，傅立叶变换和小波变换技术需要复杂的计算，且不能准确地提取包裹相位，相移算法以其速度快、精度高等优点，广泛应用于复杂形状物体的测量，在相移算法的基础上编码绝对相位，用于相位展开的检索，可精确快速的展开包裹相位。

绝对相位法由于其较好的测量精度与鲁棒性，广泛的用于三维测量的相位解包中，但由于CCD采集图像的非线性，环境噪声等影响，绝对相位阶梯边缘容易出现误码现象，需要对其进行相位校正才能得到较好的结果。

因此，有必要提供一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明提供一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，解决了绝对相位阶梯边缘容易出现误码现象的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法包括以下步骤：

S1编码彩色条纹；

S2将彩色条纹投影到待测物体上，CCD获取彩色变形条纹；

S3从彩色变形条纹中提取两组相位信息；

S4用附加相位对主相位进行相位矫正，得到准确相位信息。

优选的，所述步骤S1中编码彩色条纹时，彩色编码条纹包括条纹I和条纹 II，条纹I由正弦条纹和对应阶梯条纹组成；

正弦条纹编码公式为：

I_k(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(φ_I+δ_k) (1)，

A(x,y)为平均强度，B(x,y)为强度调制，φ_I为正弦编码相位，δ_k为相移相位，其中

φ_I＝2πyf₀ (2)，

f₀为条纹频率，k为相移步数。

优选的，所述正弦条纹编码公式中正弦条纹编码相位φ_I替换成阶梯条纹相位编码

能够得到阶梯条纹的编码条纹，其中，阶梯条纹相位编码为：

其中，M是条纹每周期的阶梯级数，P是条纹间距；

正弦条纹与阶梯条纹合称为条纹I，条纹II相对于条纹I移动

即移动相位π，条纹II也包括正弦条纹和对应阶梯条纹；

条纹II的正弦条纹编码相位φ_II为：

φ_II＝2π(y+P/2)f₀ (5)，

条纹II的阶梯条纹编码相位

为：

同理，令条纹II的正弦条纹编码相位φ_II和阶梯条纹编码相位

替换正弦条纹编码公式中的φ_I能够得到条纹II的正弦条纹和对应阶梯条纹。

优选的，所述编码条纹I放入彩色编码条纹的R通道中，所述编码条纹II放入彩色编码条纹的B通道中，形成彩色编码条纹。

优选的，所述步骤S3中提取相位信息时将收集到的彩色变形条纹其R和 B通道数据提取出来，得到两组灰度条纹。

优选的，然后将条纹I带入包裹相位计算公式中，得到正弦和阶梯的包裹相位φ′_I和

对两组灰度条纹分别计算包裹相位，包裹相位计算公式为：

I_k为相机获取到的到的正弦条纹，正弦条纹相移步数为N，同样，将条纹 II带入包裹相位计算公式中，得到正弦和阶梯的包裹相位φ′_II和

优选的，然后运用绝对相位阶梯编码展开包裹相位，得到两组展开相位Φ_I和Φ_II，相位展开具体过程如下，计算条纹级次k和r：

其中为r(i)为每一行第i个像素对应的k(i)的子区域码字，k(i)为每一行第i个像素对应的编码级次顺序，然后，根据k和r解开包裹相位：

优选的，所述步骤S4中用附加相位对主相位进行相位矫正时先让Φ_I、Φ_II两者进行自对比，去除变小的相位误码，得到第一次矫正的相位Φ′_I、Φ′_II：

优选的，所述第一次矫正的相位Φ′_I、Φ′_II获得后，再根据第一次矫正的相位Φ′_I、Φ′_II计算阶梯误码值Δk，两者相对比则可判断Φ′_I的误码区域，在误码处两者相减并除以2π后取整，即可得到Φ′_I的阶梯误码差值Δk：

优选的，所述阶梯误码差值Δk获得后，再用Φ′_I减去Δk个2π，进行第二次相位矫正，得到正确相位Φ″_I：

Φ″_I(x,y)＝Φ′_I(x,y)-Δk×2π (17)。

与相关技术相比较，本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法具有如下有益效果：

本发明提供一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，摄像机和投影仪连接到计算机上，计算机实时控制***并获取数据，投影仪将编码的条纹投射到物体上，然后相机收集捕捉到的彩色变形条纹，可从彩色变形条纹中提取出编码到的两组相位信息，并对相位信息进行包裹相位的计算和解包裹，得到两组展开相位，最后用第二组展开相位对第一组进行相位校正，可得到精确相位，最终提高测量精度。

附图说明

图1为本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法的彩色编码绝对相位矫正的流程和装置图；

图2为本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法的操作流程图；

图3为本发明提供的彩色条纹编码图；

图4为本发明提供的彩色变形条纹分解图；

图5为本发明提供的矫正前平面测量图像；

图6为本发明提供的矫正后平面测量图像；

图7为本发明提供的矫正前物体测量图像；

图8为本发明提供的矫正后物体测量图像；

图9为本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法在物体检测时使用到的支撑设备。

图中标号：1、收纳箱，2、伸缩杆，3、升降盖板，4、支撑罩，41、连接滑孔，5、升降电机，51、升降螺杆，52、升降滑板，53、联动压板，6、支撑盘，7、遮光板，71、调节孔，8、锁紧螺丝。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请结合参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9，其中，图1为本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法的彩色编码绝对相位矫正的流程和装置图；图2为本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法的操作流程图；图3为本发明提供的彩色条纹编码图；图4 为本发明提供的彩色变形条纹分解图；图5为本发明提供的矫正前平面测量图像；图6为本发明提供的矫正后平面测量图像；图7为本发明提供的矫正前物体测量图像；图8为本发明提供的矫正后物体测量图像；图9为本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法在物体检测时使用到的支撑设备。

一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法包括：S1编码彩色条纹；

S2将彩色条纹投影到待测物体上，CCD获取彩色变形条纹；

S3从彩色变形条纹中提取两组相位信息；

S4用附加相位对主相位进行相位矫正，得到准确相位信息。

在条纹投影技术中，获取三维信息的前提条件是获取相位信息，对相位信息进行相位高度映射，可得到对应三维信息，相位信息的准确与否直接关系到三维测量的精确度，本申请采用可包含更多信息的彩色编码条纹，在彩色编码条纹中放入两组编码条纹I和II，用CCD获取彩色变形条纹后再将两编码信息分离出来，用后者对前者进行相位校正，得到更加精确的相位信息，可以有效减少绝对相位编码技术引起的阶梯边缘级次误码问题。

流程和装置的连接图如图1所示，摄像机和投影仪连接到计算机上，计算机实时控制***并获取数据，投影仪将编码的条纹投射到物体上，然后相机收集捕捉到的彩色变形条纹，可从彩色变形条纹中提取出编码到的两组相位信息，并对相位信息进行包裹相位的计算和解包裹，得到两组展开相位，最后用第二组展开相位对第一组进行相位校正，可得到精确相位，最终提高测量精度。

所述步骤S1中编码彩色条纹时，彩色编码条纹包括条纹I和条纹II，条纹 I由正弦条纹和对应阶梯条纹组成；

正弦条纹编码公式为：

I_k(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(φ_I+δ_k) (1)，

A(x,y)为平均强度，B(x,y)为强度调制，φ_I为正弦编码相位，δ_k为相移相位，其中

φ_I＝2πyf₀ (2)，

f₀为条纹频率，k为相移步数。

所述正弦条纹编码公式中正弦条纹编码相位φ_I替换成阶梯条纹相位编码

能够得到阶梯条纹的编码条纹，其中，阶梯条纹相位编码为：

其中，M是条纹每周期的阶梯级数，P是条纹间距；

正弦条纹与阶梯条纹合称为条纹I，条纹II相对于条纹I移动

即移动相位π，条纹II也包括正弦条纹和对应阶梯条纹；

条纹II的正弦条纹编码相位φ_II为：

φ_II＝2π(y+P/2)f₀ (5)，

条纹II的阶梯条纹编码相位

为：

同理，令条纹II的正弦条纹编码相位φ_II和阶梯条纹编码相位

替换正弦条纹编码公式中的φ_I能够得到条纹II的正弦条纹和对应阶梯条纹。

所述编码条纹I放入彩色编码条纹的R通道中，所述编码条纹II放入彩色编码条纹的B通道中，形成彩色编码条纹。

如图3：G通道无编码条纹，否则会产生颜色串扰，图中相移步数k＝3；

其中：

图3中(a)-(c)编码相位为φ_Ι；

图3中(d)-(e)编码相位为

图3中(g)-(i)编码相位为φ_II；

图3中(j)-(l)编码相位为

所述步骤S3中提取相位信息时将收集到的彩色变形条纹其R和B通道数据提取出来，得到两组灰度条纹。

如图3：例如，若彩色图像的图像矩阵为m×n×3，则其矩阵的第一个m ×n阵列为彩色图像的R通道灰度图，其第三个个m×n阵列为彩色图像的B 通道灰度图。

然后将条纹I带入包裹相位计算公式中，得到正弦和阶梯的包裹相位φ′_I和

对两组灰度条纹分别计算包裹相位，包裹相位计算公式为：

I_k为相机获取到的到的正弦条纹，正弦条纹相移步数为N，同样，将条纹 II带入包裹相位计算公式中，得到正弦和阶梯的包裹相位φ′_II和

然后运用绝对相位阶梯编码展开包裹相位，得到两组展开相位Φ_I和Φ_II，相位展开具体过程如下，计算条纹级次k和r：

其中为r(i)为每一行第i个像素对应的k(i)的子区域码字，k(i)为每一行第 i个像素对应的编码级次顺序，然后，根据k和r解开包裹相位：

所述步骤S4中用附加相位对主相位进行相位矫正时先让Φ_I、Φ_II两者进行自对比，去除变小的相位误码，得到第一次矫正的相位Φ′_I、Φ′_II：

所述第一次矫正的相位Φ′_I、Φ′_II获得后，再根据第一次矫正的相位Φ′_I、Φ′_II计算阶梯误码值Δk，两者相对比则可判断Φ′_I的误码区域，在误码处两者相减并除以2π后取整，即可得到Φ′_I的阶梯误码差值Δk：

所述阶梯误码差值Δk获得后，再用Φ′_I减去Δk个2π，进行第二次相位矫正，得到正确相位Φ″_I：

Φ″_I(x,y)＝Φ′_I(x,y)-Δk×2π (17)。

与相关技术相比较，本发明提供的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法具有如下有益效果：

摄像机和投影仪连接到计算机上，计算机实时控制***并获取数据，投影仪将编码的条纹投射到物体上，然后相机收集捕捉到的彩色变形条纹，可从彩色变形条纹中提取出编码到的两组相位信息，并对相位信息进行包裹相位的计算和解包裹，得到两组展开相位，最后用第二组展开相位对第一组进行相位校正，可得到精确相位，最终提高测量精度。

根据步骤a-d可测量待测物体相位，图4为矫正前平面相位，图5为本发明方法矫正后平面相位，发现图4误码明显，误码程条形尖刺状，由绝对相位法相位展开时条纹边缘级次误差引起，图5经过本发明方法相位矫正，误码尽皆除去，对白色面具进行测量，图6为矫正前面具相位，图7为本发明方法矫正后面具相位，可明显发现图7相比图6，其毛刺即相位误码尽皆去除。

一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法在对物体进行检测前需要使用到物体的支撑设备，支撑设备包括收纳箱1，所述收纳箱1的内壁的底部固定连接有伸缩杆2，所述伸缩杆2的输出端固定连接有升降盖板3，所述升降盖板3的表面与所述收纳箱1的表面相适配，所述升降盖板3的底部固定连接有支撑罩4，所述支撑罩4的表面开设有连接滑孔41，所述连接滑孔41 的内部与所述支撑罩4的内部相互连通，所述升降盖板3的顶部固定连接有升降电机5，所述升降电机5的输出端固定连接有升降螺杆51，所述升降螺杆 51的底端贯穿所述升降盖板3的表面且延伸至所述升降盖板3的下方，所述升降螺杆51的表面与所述升降盖板3的表面转动连接，所述升降螺杆51的表面螺纹连接有升降滑板52，所述升降滑板52的一侧通过所述连接滑孔41的内部且延伸至所述支撑罩4的外部，所述升降滑板52的表面与所述连接滑孔 41的内表面滑动连接，所述升降滑板52的一侧固定连接有联动压板53，所述联动压板53的表面为环形结构，并且联动压板53的内表面与所述支撑罩4 的外表面滑动连接，所述支撑罩4的外表面固定连接有支撑盘6，所述支撑盘 6的表面与所述联动压板53的表面之间平行分布，所述支撑罩4的外表面转动连接有遮光板7，所述遮光板7上开设有调节孔71，所述调节孔71的内表面与所述支撑盘6的表面滑动连接，所述遮光板7的表面螺纹连接有锁紧螺丝 8，所述锁紧螺丝8的表面与所述支撑盘6的表面相适配。

遮光板7采用现有的吸光板，使得物体安装在支撑盘6的表面上后，避免遮光板7反光对采光造成影响，保障物体图像采集时光照反射的稳定性，降低外界反光的干扰，提高物体图像采集的稳定性；

遮光板7在锁紧螺丝8旋松后方便转动调节，从而方便根据物体需要摆放的方向进行适应性调节遮光板7的位置，锁紧螺丝8旋紧后方便对调节后的遮光板7进行定位，以保障遮光板7使用时的稳定性；

遮光板7、支撑盘6和联动压板53采用相同的材质。

升降电机5方便带动升降螺杆51转动调节，升降螺杆51转动时方便带动升降滑板52同步升降调节，升降滑板52升降调节时方便带动联动滑板53同步上下移动调节；

当升降螺杆51正转时，升降螺杆51带动升降滑板52向上移动，升降滑板52向上移动时同步带动联动压板53向上移动，联动压板53向上移动后方便将物体安装在支撑盘6的上方；

当升降螺杆51反转时，升降螺杆51带动升降滑板52向下移动，升降滑板52向下移动且带动联动压板53向下移动，联动压板53向下移动时对支撑盘6上方的物体进行稳定的夹持和固定，保障采集物体的稳定性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1编码彩色条纹；

S2将彩色条纹投影到待测物体上，CCD获取彩色变形条纹；

S3从彩色变形条纹中提取两组相位信息；

S4用附加相位对主相位进行相位矫正，得到准确相位信息。

2.根据权利要求1所述的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，所述步骤S1中编码彩色条纹时，彩色编码条纹包括条纹Ι和条纹ΙΙ，条纹Ι由正弦条纹和对应阶梯条纹组成；

正弦条纹编码公式为：

I_k(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(φ_Ι+δ_k) (1)，

A(x,y)为平均强度，B(x,y)为强度调制，φ_Ι为正弦编码相位，δ_k为相移相位，其中

φ_Ι＝2πyf₀ (2)，

f₀为条纹频率，k为相移步数。

3.根据权利要求2所述的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，所述正弦条纹编码公式中正弦条纹编码相位φ_Ι替换成阶梯条纹相位编码

能够得到阶梯条纹的编码条纹，其中，阶梯条纹相位编码为：

其中，M是条纹每周期的阶梯级数，P是条纹间距；

正弦条纹与阶梯条纹合称为条纹Ι，条纹ΙΙ相对于条纹Ι移动

即移动相位π，条纹ΙΙ也包括正弦条纹和对应阶梯条纹；

条纹ΙΙ的正弦条纹编码相位φ_ΙΙ为：

φ_ΙΙ＝2π(y+P/2)f₀ (5)，

条纹ΙΙ的阶梯条纹编码相位

为：

同理，令条纹ΙΙ的正弦条纹编码相位φ_ΙΙ和阶梯条纹编码相位

替换正弦条纹编码公式中的φ_Ι能够得到条纹ΙΙ的正弦条纹和对应阶梯条纹。

4.根据权利要求3所述的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，所述编码条纹Ι放入彩色编码条纹的R通道中，所述编码条纹ΙI放入彩色编码条纹的B通道中，形成彩色编码条纹。

5.根据权利要求4所述的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，所述步骤S3中提取相位信息时将收集到的彩色变形条纹其R和B通道数据提取出来，得到两组灰度条纹。

6.根据权利要求5所述的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，然后将条纹Ι带入包裹相位计算公式中，得到正弦和阶梯的包裹相位φ′_I和

对两组灰度条纹分别计算包裹相位，包裹相位计算公式为：

I_k为相机获取到的到的正弦条纹，正弦条纹相移步数为N，同样，将条纹II带入包裹相位计算公式中，得到正弦和阶梯的包裹相位φ′_II和

7.根据权利要求6所述的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，然后运用绝对相位阶梯编码展开包裹相位，得到两组展开相位Φ_I和Φ_II，相位展开具体过程如下，计算条纹级次k和r：

其中为r(i)为每一行第i个像素对应的k(i)的子区域码字，k(i)为每一行第i个像素对应的编码级次顺序，然后，根据k和r解开包裹相位：

8.根据权利要求7所述的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，所述步骤S4中用附加相位对主相位进行相位矫正时先让Φ_I、Φ_II两者进行自对比，去除变小的相位误码，得到第一次矫正的相位Φ′_I、Φ′_ΙΙ：

9.根据权利要求8所述的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，所述第一次矫正的相位Φ′_Ι、Φ′_ΙΙ获得后，再根据第一次矫正的相位Φ′_Ι、Φ′_ΙI计算阶梯误码值△k，两者相对比则可判断Φ′_I的误码区域，在误码处两者相减并除以2π后取整，即可得到Φ′_I的阶梯误码差值△k：

10.根据权利要求9所述的基于彩色编码的三维测量绝对相位矫正方法，其特征在于，所述阶梯误码差值△k获得后，再用Φ′_I减去△k个2π，进行第二次相位矫正，得到正确相位Φ″_I：

Φ″_Ι(x,y)＝Φ′_Ι(x,y)-△k×2π (17)。

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