专利名称：彩色条纹编码的相位去包裹方法
技术领域：
本发明属于三维传感和测量领域，可广泛应用于三维物体形貌的静态、动 态及在线检测，实现光学相移法检测三维物体轮廓的相位解调的级次判定的彩 色条纹编码的相位去包裹方法。
背景技术：
在现代产品快速开发及制造领域，物体的三维形貌测量己得到广泛应用。 光学相移法与其它结构光测量方法相比，因其可进行全场测量，具有测量速度 快、精度高、可实现仪器的便携式检测等特点，被广泛应用于航空航天、机械 制造、医疗诊断、计算机辅助设计/制造、机器人视觉系统以及在线检测与质量 控制等领域。
相位测量原理
相移技术在光学相干测量中有着重要的地位，它广泛地应用于全息照相、 数字散斑及光栅投影式三维轮廓测量中。其基本思想是通过引入已知的相移 量，人为地改变条纹的相位，比较物体上同一点在不同相移量下光强的变化来 求解该处的相位。当一个正弦光栅投射到物体上时，受物体高度的调制，变形 光栅条纹的光强表示为
<formula>formula see original document page 4</formula> (1)
其中，"(;c,力为背景光强，6(x,力/"(x,力为对比度，p(x，力为包含物体高度 信息的相位因子。控制光栅沿与栅线垂直的方向以2;r/iV为步距作iV步相移，可 获取W帧相移条纹图形，记为/&，其中々=0， 1，…，N-1 (N》3)。则相位为<formula>formula see original document page 5</formula>
当1^=4时，有
<formula>formula see original document page 5</formula>
即所谓的4步相移法，而当k二3时，为3步相移法等。
由式(3)可以看出，p(;c,力值被限定在反正切函数的主值范围内，即-;r +;r。 丙此相移法轮廓测量技术中，为了从相位值求得被测物体的高度分布，必须将 由于反三角运算引起的截断(或称为包裹)相位恢复成原来的相位分布，把这 一过程称为相位展开，或相位去包裹。设^0c,力为原理相位，O(;c,力为真实相位 (或称绝对相位)，则有
①(;c，力i(x,力+ 2;r ."(x，力 (4) 去包裹的过程实际上就是求解式(4)中的整数"的过程。
可见在光学相移法三维形貌测量中，需要通过反正切函数计算包含物体三 维高度信息的相位值，而反正切函数的值不是一一对应的，为了得到准确的相 位值，需要确定反正切函数的n值，这一步骤被称作相位去包裹。
相位去包裹方法
传统的相位去包裹算法大体上分为两大类空域相位展开和时域相位展开。 第一大类包括行列逐点算法、分割线算、区域分割算法等等，这些方法或多 或少都存在相位误差的面内累积传播，且要求被测表面是连续和缓变的，这类 方法的适用范围大大受到限制。第二大类包括双频光栅法、非线性小数重合 法、绝对莫尔法、交叉光栅法等等，这些方法不存在面内累积误差，可用于不 连续及陡峭被测表面，相对于第一类方法，在精度和适应性上有相当大的提高。
然而这些方法在时间轴上，需要采集多幅图像，才能求解相位，只适应于对测量时间没有特殊要求的静态测量，动态测量时的效果并不理想。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种使光学相移法不 仅能实现三维物体形貌静态测量，而且实现了动态及在线测量，只需一幅图像， 应用极其简单的算法，快速得到相位取包裹结果，进一步提高了光学相移法的 适应范围，解决了工程实际当中的难题，縮短新产品开发的周期，有效地控制 产品质量的彩色条纹编码的相位去包裹方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是在获得相移测量的原理相位 的基础上，用彩色条纹编码条纹图求解①(x,力-p(u) + 2;r.w0c,力中的"77 U
力"，沿着条纹排列的垂直方向进行解相，其具体步骤为
1) 首先，设置vV个彩色编码条纹颜色为一个条纹图的周期即组，将这些条 纹用两位数字"i /，进行编码，"尸表示条纹图的周期即"组"，"/，表示条 纹的颜色代码，力O，l,…，H， vV是条纹的颜色数；
2) 然后将彩色编码条纹投射至被测三维物体表面，彩色条纹宽度与相移测 量条纹宽度相同；
3) 其次，使用彩色CCD摄像机采集变形的彩色编码图，并通过彩色数字图 像卡将图像数据输送至计算机；
4) 采取对每种颜色的条纹个数分别计数的方法，选出数目最大的值，以确 定图形中条纹的周期数，假设#是其中最多的条纹数，对应于"A"颜色，则 条纹的周期数为# ，以颜色"A"作为两个周期条纹的分界线，即以值作 为每个周期的开始条纹，两个"A"之间的区域为同一周期，每个周期依次定义 为i = 0， 1，…，fl;
5) 根据对彩色条纹进行编码的两位数字编码和颜色条纹计数，得到正弦条 纹级次的表达式<formula>formula see original document page 7</formula>"0c,力表示正弦条纹的级次，W表示颜色数，Z(;c,力表示条纹图的周期
数，Au)表示条纹的颜色代码，t表示分割周期，即两个周期条纹的分界
线；
其中[/"力L^表示以^为模的取补操作，即,表示以^为模的取补操作，艮口
为模的取补操作，/Oc,力表示一个函数，这里/(x,力"'(x,力-A:， W表示颜色数) 至此，已确定了0(X,力-^C,力+ ^."(X,力中的T7 U 7)，再结合事先对测量系
/(U)<0
([/"力]画p表示以^统的标定，即可将相位值转化为三维高度信息。该方法大幅度地提高了相位去 包裹的效率，并适用于表面不连续及动态的三维形貌测量。
本发明与传统的相位去包裹方法相比，具有以下特点1、采用与测量过程 相似的步骤及简便的图像处理算法，使操作简化并大大提高了数据处理效率， 縮短了数据处理时间；2、相位去包裹中采用了彩色编码技术，减少了环境干扰 光源的影响，提高了图像处理的抗干扰能力；3、由于彩色编码条纹宽度可任意 调节，适宜测量相对投影光轴倾角大的以及表面不连续的物体；4、如果测量采 用彩色莫尔条纹的相移测量法，那么相位去包裹过程与测量过程的硬件构成完 全相同，仅仅是投射的结构光形式不同以及图像处理方法不同，不增加任何硬 件费用；5、彩色莫尔条纹相移测量法与彩色编码相位去包裹方法相结合，不仅 能测量静态三维物体形貌，而且能测量动态三维物体形貌。
权利要求
1、彩色条纹编码的相位去包裹方法，其特征在于在获得相移测量的原理相位的基础上，用彩色条纹编码条纹图求解中的“n(x，y)”，沿着条纹排列的垂直方向进行解相，其具体步骤为1)首先，设置N个彩色编码条纹颜色为一个条纹图的周期即组，将这些条纹用两位数字“ij”进行编码，“i”表示条纹图的周期即“组”，“j”表示条纹的颜色代码，j＝0，1，…，N-1，N是条纹的颜色数；2)然后将彩色编码条纹投射至被测三维物体表面，彩色条纹宽度与相移测量条纹宽度相同；3)其次，使用彩色CCD摄像机采集变形的彩色编码图，并通过彩色数字图像卡将图像数据输送至计算机；4)采取对每种颜色的条纹个数分别计数的方法，选出数目最大的值，以确定图形中条纹的周期数，假设M是其中最多的条纹数，对应于“k”颜色，则条纹的周期数为M，以颜色“k”作为两个周期条纹的分界线，即以“k”值作为每个周期的开始条纹，两个“k”之间的区域为同一周期，每个周期依次定义为i＝0，1，…，M-1；5)根据对彩色条纹进行编码的两位数字编码和颜色条纹计数，得到正弦条纹级次的表达式n(x，y)＝Ni(x，y)+[j(x，y)-k]compn(x，y)表示正弦条纹的级次，N表示颜色数，i(x，y)表示条纹图的周期数，j(x，y)表示条纹的颜色代码，k表示分割周期，即两个周期条纹的分界线；其中[f(x，y)]comp表示以N为模的取补操作，即[f(x，y)]comp表示以N为模的取补操作，f(x，y)表示一个函数，这里f(x，y)＝j(x，y)-k，N表示颜色数，至此，已确定了中的n(x，y)，再结合事先对测量系统的标定，即可将相位值转化为三维高度信息。
全文摘要
彩色条纹编码的相位去包裹方法，在获得相移测量的原理相位的基础上，用彩色条纹编码条纹图求解Φ(x，y)＝φ(x，y)+2π·n(x，y)中的“n(x，y)”，沿着条纹排列的垂直方向进行解相。与传统的相位去包裹方法相比，操作简化并大大提高了数据处理效率，缩短了数据处理时间；相位去包裹中采用彩色编码技术，减少了环境干扰光源的影响，提高了图像处理的抗干扰能力；由于彩色编码条纹宽度可任意调节，适宜测量相对投影光轴倾角大的以及表面不连续的物体；彩色莫尔条纹相移测量法与彩色编码相位去包裹方法相结合，不仅能测量静态三维物体形貌，而且能测量动态三维物体形貌。
文档编号G01B11/24GK101441066SQ20081023642
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者丁建军, 兵 李, 王沙威, 蒋庄德, 黄梦涛 申请人:西安交通大学