一种无低通滤波的数字莫尔三维测量方法与流程

1.本发明涉及三维测量技术领域，更具体的说是涉及一种无低通滤波的数字莫尔三维测量方法。


背景技术：

2.目前，三维面形测量技术在物体和环境建模方面有广泛的应用，如用于娱乐和医学诊断的人体建模，以及三维物体识别。其中，光学技术在实现快速、精确的非接触式三维表面形状测量方面取得了巨大的进步。光学三维测量技术最常见的类型之一是结构光技术，主要包括常见的条纹投影轮廓测量(fpp)和莫尔轮廓测量(mp)。
3.其中，莫尔轮廓测量需要两个光栅：参考光栅和变形光栅，即将一个光栅投影到待测物体表面，通过另一个光栅进行观察，具体来说是用平行光照明光栅，将光栅的像成在待测物体表面形成变形光栅。然后在观察侧使用透镜对变形光栅成像，在变形光栅的成像面处放置参考光栅，参考光栅与变形光栅像重合形成莫尔条纹。
4.由于光学方法产生的莫尔条纹与初始条纹混在一起，莫尔条纹的衬比度低，且滤波效果不理想，为了提取更加清晰的莫尔条纹，出现了数字莫尔条纹的方法，并应用于物体三维面形测量。
5.数字莫尔技术是一种易于实现；无需复杂的光学设备的莫尔三维测量技术。基于其可灵活调整投影网格间距；产生任意相移的能力；以及作为图像捕获的后处理来执行相移的能力，使数字莫尔技术可能比传统莫尔技术更加有用。
6.但是，在莫尔轮廓测量中，包含物体形状信息的有用莫尔图案总是叠加有高频网格图案，如附图中图2，
7.其中，(a)为由两个线性光栅生成的莫尔图案，(b)为一个半球的等高度莫尔轮廓线，该网格图案被认为是噪声，影响相位提取的精度及准确性，因此，在对莫尔图案进行进一步分析以提取表面高度信息之前，必须去除，以便对莫尔图案进行进一步的分析，以提取物体形状信息。到目前为止，该网格图案的去除是通过低通滤波的方法来实现的，
8.但使用低通滤波器抑制来自网格图案的高频噪声，导致了对投影网格率的限制，即网格频率必须高于由于物体高度变化产生的莫尔频率，才能清楚地被分离分。此外，在选择滤波器的截止频率以完全去除高频网格而不对莫尔图案产生影响也存在困难。除了降低空间分辨率外，低通滤波器的使用也限制了测量范围和影响莫尔图案的清晰度。
9.因此，开发一种新的网格去除技术，在消除高频网格图案的同时不引入伪影，并保证莫尔图案不模糊和退化，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

10.有鉴于此，为了去除体通滤波器的使用带来的困扰，本发明提供了一种无低通滤波的数字莫尔三维测量方法，
11.为了实现上述目的，本实施例提供了一种无低通滤波的数字莫尔三维测量方法，
包括如下步骤，
12.s1、获取参考条纹图像，根据参考条纹图像方程，提取参考条纹图案中交流分量，并存储；
13.s2、测量时，获取被测物体条纹图像，根据被测物体条纹图像方程，提取被测物体图案中交流分量；
14.s3、将所述步骤一和步骤二中得到的交流分量两两相乘，得到四幅莫尔条纹图案，将所述四幅莫尔条纹图案的方程进行加减运算，得到两个无高频调制的莫尔条纹图案；
15.s4、对所述两个无高频调制的莫尔条纹图案的方程的比值求反正切，得到被测物体的包裹相位。
16.进一步地，所述步骤一中，获取四幅参考条纹图像，相位值为π/2，所述参考条纹图像的表示方程为：
[0017][0018][0019][0020][0021]
所述提取的参考条纹图案的交流分量，为：
[0022][0023][0024]
式中，所述r(x，y)表示参考平面的反射率，所述a表示背景分量，所述b反映条纹对比度，所述f
x
x为条纹图案在x方向上的频率，所述fyy为条纹图案在y方向上的频率，所述为参考平面调制的相位分布。
[0025]
进一步地，所述步骤二中，包括四步相移法，获取四幅被测物体的条纹图像，相位值为π/2，所述被测物体条纹图像的表示方程为：
[0026]io1
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ(x，y)]}
[0027]io2
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πfxx+φ(x，y)+π/2]}
[0028]io3
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ(x，y)+π]}
[0029]io4
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ(x，y)+3π/2|}
[0030]
所述提取的被测物体条纹图案的交流分量为：
[0031][0032]
[0033]
进一步地，所述步骤二中还包括两步相移法，是获取两幅被测物体的条纹图像，相位值为π，所述被测物体条纹图像的表示方程为：
[0034]io1
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ(x，y)]}
[0035]io3
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ(x，y)+π]}
[0036]
所述提取的被测物体条纹图案的交流分量为：
[0037][0038]
进一步地，所述两步相移法中，另一个交流分量通过如下步骤获得：
[0039]
s21、对方程沿x方向做fft，得到：
[0040][0041]
s22、构建函数：
[0042][0043]
s23、对z[u]进行反fourier变换ifft，得到：
[0044]
z(x，y)＝ifft{z[u]}
[0045]
所述z(x，y)为复数函数，实部等于虚部相对实部产生了π/2的位相延迟，由此得到
[0046]
进一步地，所述步骤三中，得到两个无高频调制的莫尔条纹图案，包括如下过程：
[0047]
s31、根据所述步骤一和步骤二中提取的交流分量得到四幅莫尔条纹图案，表示方程如下：
[0048][0049][0050][0051][0052]
s32、根据四幅莫尔条纹图案，得到两幅无高频调制的莫尔条纹图案
[0053][0054][0055]
进一步地，步骤四中，所述运算得到包裹相位的方法为：
[0056][0057]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种无低通滤波的数字莫尔三维测量方法，该方法舍去了低通滤波器的参与，通过对方程的运算巧妙地消除了高频网格图案，从而解除了低通滤波器的使用对测量范围的限制、对莫尔图像清晰度的影响，并在消除高频网格图案的同时不引入伪影，保证空间分辨率的同时，保证莫尔图案不模糊、退化。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0059]
图1附图为本数字莫尔三维测量方法流程图；
[0060]
图2附图为背景技术中莫尔图案中叠加的高频网格图案；
[0061]
图3附图为获取的四幅相位值为π/2的参考条纹图像；
[0062]
图4附图为四步相移法获得的被测物体的条纹图像；
[0063]
图5附图为参考条纹图像中提取的两个交流分量
[0064]
图6附图为通过四步相移法获得的两个交流分量
[0065]
图7附图为通过两步相移法获得的交流分量
[0066]
图8、9附图为通过运算得到的两幅无高频调制的莫尔图像；
[0067]
图10附图为本发明提供的莫尔图像的包裹相位。
具体实施方式
[0068]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0069]
本发明实施例公开了一种无低通滤波的数字莫尔三维测量方法，主要包括如下步骤，如图1：
[0070]
s1、获取参考条纹图像，根据数字莫尔的原理，参考图案需事先准备并存储在电子设备中，如计算机，根据参考条纹图像方程，提取参考条纹图案中两个交流分量；
[0071]
以获取四幅参考条纹图像，相位值为π/2，为例进行说明，将四个移位相位为π/2的正弦光栅投影到一个质量良好的参考平面上，作为参考条纹，如图3，此时四幅参考条纹图像的表示方程分别为：
[0072]ir1
(x，y)＝r(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ0(x，y)]}，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0073]ir2
(x，y)＝r(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ0(x，y)+π/2]}，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0074]ir3
(x，y)＝r(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ0(x，y)+π]}，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0075]ir4
(x，y)＝r(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ0(x，y)+3π/2]}，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0076]
其中，r(x，y)表示参考平面的反射率，a表示背景分量，b反映条纹对比度，f
x
x为条纹图案在x方向上的频率，所述fyy为条纹图案在y方向上的频率，为参考平面调制的相位分布。
[0077]
参考条纹的相位差为90度的两个交流分量，为别通过方程(1)减去方程(3)以及方程(2)减去方程(4)来提取，如图5，a为b为结果如方程(5)，(6)所示：
[0078][0079][0080]
这两个交流分量需要存储在计算机中作为参考图案。
[0081]
s2、获取被测物体条纹图像，根据被测物体条纹图像方程，提取被测物体图案中两个交流分量；根据所述被测物体条纹图案的数目，分为四步相移法和两步相移法。
[0082]
具体的，四步相移法是获取四幅被测物体的条纹图像，相位值为π/2，如图4，此时被测物体条纹图像的表示方程分别为：
[0083]io1
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ(x，y)]}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0084]io2
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ(x，y)+π/2]}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0085]io3
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ(x，y)+π]}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0086]io4
(x，y)＝r
′
(x，y){a+b cos[2πf
x
x+φ(x，y)+3π/2]}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0087]
同样，提取出相位差为90度的物体图案的两个交流分量，如图6，c为d为其方程为：
[0088][0089][0090]
另外，两步相移法是获取两幅被测物体的条纹图像，相位值为π，此时被测物体条纹图像的表示方程为(7)和(9)，
[0091]
由方程(7)和(9)可以提取被测物体条纹图案的一个交流分量，即
[0092]
另一个交流分量可通过如下步骤获得：
[0093]
s21、对方程沿x方向做fft：
[0094][0095]
s22、构建函数：
[0096][0097]
其中，n为条纹图片沿x方向的像素数。
[0098]
s23、对z[u]进行反fourier变换ifft，得到：
[0099]
z(x，y)＝ifft{z[u]}
ꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0100]
其中，z(x，y)是一个复数函数，z(x，y)的实部等于即方程(11)；虚部相对实部产生了π/2的位相延迟。因此，由方程(20)可以得到方程(12)相同的结果，如图7。
[0101]
s3、将所述步骤一和步骤二中得到的交流分量两两相乘，得到四幅莫尔条纹图案，将所述四幅莫尔条纹图案的方程进行加减运算，得到两个无高频调制的莫尔条纹图案；
[0102]
具体过程如下：
[0103]
s31、根据所述步骤一和步骤二中提取的交流分量，即方程(5)、(6)和方程(11)、(12)，得到四幅莫尔条纹图案，表示方程如下：
[0104][0105][0106]
和
[0107][0108][0109]
s32、根据四幅莫尔条纹图案，得到两幅无高频调制的莫尔条纹图案，具体的，将方程(13)，(14)相加，如图8，a为方程13对应的图像，b为方程14对应的图像，从而得到：
[0110][0111]
将方程(16)减去方程(15)，得到：
[0112][0113]
如图9，a为方程16对应的莫尔图像，b为方程15对应的莫尔图像，
[0114]
方程(17)，(18)给出了两个无高频调制的莫尔条纹图案。
[0115]
s4、对所述两个无高频调制的莫尔条纹图案的方程的比值求法反正切，得到被测物体的包裹相位，如图10，其中，a为四步相移法获得的的包裹相位；b为两步相移法获得的包裹相位；
[0116]
具体运算公式如下：
[0117][0118]
本发明实施例提供的无低通滤波的数字莫尔三维测量方法，具有如下优势：
[0119]
与最接近的现有技术相比，舍去了低通滤波器的设置，解除了低通滤波器对测量范围的限制，及对莫尔图案清晰度的影响，在保证空间分辨率、消除高频网络图案的同时，不引入伪影，同时保证莫尔图案不模糊退化。
[0120]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0121]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。