一种相位展开方法及系统与流程

本发明涉及计算机测量计算领域，具体而言，涉及一种相位展开方法及系统。

背景技术：

近年来，随着计算机技术，光学和光电子技术的迅速发展，物体的三维面形测量具有重要的意义。基于相位分析类的光学三维面形测量方法因为具有非接触、测量速度快、精度高等优点，已得到深入研究并且被广泛应用。这一类方法是将被测面形的高度分布调制到投影光场的相位变化中，分析获取到的变形条纹图，计算得到对应的相位分布来重建被测物体的三维面形分布。由于相位分布是通过反正切函数运算得到，计算出的相位值被截断在函数主值范围(-π,π]内，呈锯齿形的不连续状分布，通常称为相位被截断了。因此，在重建被测物体的高度分布之前，必须将此截断的相位恢复为原有的连续相位，需要在相位间断点处加减2nπ的方法进行修正，这一过程就是相位展开。

传统的空间相位展开方法是在截断相位二维空间中按照一定路径逐点搜索定位截断点进行相位展开，较为费时，而且一些算法会在展开路径上造成“拉丝”状的错误蔓延累计；时间相位展开方法可以避免该类错误，但需要投影和获取多幅条纹周期不同或者对每个条纹周期进行级次标记的图像，利用周期之间的关系或者编码级次进行时间轴上的相位展开，该类方法给测量和重建均带来了时耗和复杂度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种相位展开方法及系统，以改善上述问题。

本发明实施例提供一种相位展开方法，应用于虚拟相位平面展开装置，所述方法包括：

根据投射到被测物体表面的结构光获得所述被测物体的截断相位；

通过拍摄得到参考平面并获取参考平面展开相位，根据所述截断相位和所述参考平面展开相位进行展开操作，得到第一相位分布结果；

构建虚拟平面连续相位，根据所述截断相位和所述虚拟平面连续相位进行展开操作，得到第二相位分布结果；

将所述第一相位分布结果和所述第二相位分布结果进行相位区域融合，得到所述被测物体的展开相位及高度分布结果。

本发明另一实施例提供一种相位展开系统，应用于多平面相位展开装置，所述系统包括截断相位获取模块、第一展开模块、第二展开模块以及融合模块；

所述截断相位获取模块用于根据投射到被测物体表面的结构光获得所述被测物体的截断相位；

所述第一展开模块用于通过拍摄得到参考平面并获取参考平面展开相位，根据所述截断相位和所述参考平面展开相位进行展开操作，得到第一相位分布结果；

所述第二展开模块用于构建虚拟平面连续相位，根据所述截断相位和所述虚拟平面连续相位进行展开操作，得到第二相位分布结果；

所述融合模块用于将所述第一相位分布结果和所述第二相位分布结果进行相位区域融合操作，得到所述被测物体的展开相位及高度分布结果。

本发明实施例提供的相位展开方法及系统，通过在参考平面展开相位的基础上构建虚拟平面连续相位来辅助被测物体表面的相位展开，进行多次分级相位展开，结合多个展开相位结果以得到最终正确的展开相位。本发明提供的相位展开方法无需标记与编码，展开速度快，且不需在二维平面内进行逐点空间相位展开，不会产生误差传递蔓延和扩散。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种虚拟相位平面展开装置的方框示意图。

图2为本发明实施例提供的一种相位展开方法的流程图。

图3为图2中步骤S103的子步骤的流程图。

图4为本发明实施例提供的一种相位展开原理图。

图5为图2中步骤S105的子步骤的流程图。

图6为图2中步骤S107的子步骤的流程图。

图7为本发明实施例提供的相位展开结果分布图。

图8为图7中标记线上相位展开过程示意图。

图9为本发明实施例提供的重建高度分布结果图。

图10为本发明实施例提供的相位展开系统的示意性结构框图。

图11为本发明实施例提供的第一展开模块的示意性结构框图。

图12为本发明实施例提供的第二展开模块的示意性结构框图。

图13为本发明实施例提供的融合模块的示意性结构框图。

图14为本发明实施例提供的第一案例的相位展开结果。

图15为本发明实施例提供的第二案例的相位展开结果。

图标：100-虚拟相位平面展开装置；110-相位展开系统；111-截断相位获取模块；112-第一展开模块；1121-第一相位级次获取子模块；1122-第一展开相位获取子模块；1123-第一相位分布获取子模块；113-第二展开模块；1131-第二相位级次获取子模块；1132-第二展开相位获取子模块；1133-第二相位分布获取子模块；114-融合模块；1141-相位区域融合子模块；1142-扣除子模块；1143-重建子模块；120-处理器；130-存储器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

请参阅图1，为本发明实施例提供的一种虚拟相位平面展开装置100的方框示意图。在本实施例中，所述虚拟相位平面展开装置100包括相位展开系统110、处理器120以及存储器130。其中，所述存储器130与处理器120之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。所述相位展开系统110包括至少一个可以软件或固件的形式存储于所述存储器130中或固化在所述虚拟相位平面展开装置100的操作系统中的软件功能模块。所述处理器120用于执行存储器130中存储的可执行模块，例如所述相位展开系统110包括的软件功能模块或计算机程序，以对多平面截断相位进行展开操作。

本实施例中，所述虚拟相位平面展开装置100可以是，但不限于，网络服务器、数据库服务器或安装于服务器中的数据处理装置等。

如图2所示，是本发明实施例提供的一种应用于图1所示的多平面相位展开装置100的相位展开方法的示意性流程图。所应说明是，本实施例提供的方法不以图2及以下所述的顺序为限制。下面将对图2所示的具体流程进行详细的阐述。

步骤S101，根据投射到被测物体表面的结构光获得所述被测物体的截断相位。

在本实施例中，当结构光通过余弦光栅投射到被测物体表面上时，可以得到被测物体的变形条纹图，可选地，一般采用投影仪等设备进行结构光投射，根据要投影的编码光栅图像的不同，可以采用幻灯片投影仪、数字投影仪、出射线光束的激光器或出射光斑的激光器等。然后，可以采用电耦合器件、CMOS相机或其他的光电传感器阵列来采集图像，并将采集到的图像传输至虚拟相位平面展开装置100中，在装置中进行图像的处理。其中，条纹图可以用如下公式来表示：

其中，a(x,y)为背景光强，b(x,y)为条纹对比度，f₀为投射光栅的频率，为由高度分布引起的相位调制。

为了得到被测物体的相对高度分布并且消除相位展开系统110的误差，可以对一参考平面进行测量，对被测物体高度分布h(x,y)的参考变形条纹可以表示为：

对所述条纹图进行空域、时域的变换和分析，得到所述被测物体的截断相位。

可选地，可对式(1)和式(2)得到的条纹图进行二维傅里叶变换，并采用合适的滤波窗滤出基频，然后进行二维逆傅里叶变换之后，可以得到如下指数形式表达的复分布：

其中，w(x,y)为b(x,y)的傅里叶谱分布。同样，对参考条纹也做同样的变换，得到如下表示：

可选地，可对式(3)和式(4)的复分布进行计算，以得到两者的相位差：

其中，arctan{}表示反正切函数，imag[]表示取复数虚部，real[]表示取复数实部。

需要说明的是，在本实施例中，采用的是傅里叶变换轮廓术的方法得到所述截断相位。可选地，还可以通过其他的方法获得所述截断相位，例如，空域的余弦变换、小波变换和S变换，时域的条纹相移等，只要能实现截断相位获取即可，在本实施例中不作具体限制。

步骤S103，通过拍摄得到参考平面并获取参考平面展开相位，根据所述截断相位和所述参考平面展开相位进行展开操作，得到第一相位分布结果。

可选地，在本实施例中，可以通过相机拍摄以获取到参考平面或者是根据标定以获取得到参考平面，具体实施方式本实施例中不作限制。

具体地，请参阅图3，步骤S103可以包括步骤S1031、步骤S1033以及步骤S1035三个子步骤。

步骤S1031，将所述截断相位和所述参考平面展开相位进行做差处理，将差值与2π相比较得到第一相位级次。

可选地，在对被测物体的条纹进行分析得到对应相位信息后，被测物体的相位通常是被截断分布在(-π,π]内。不失一般性的，所构造的参考平面的截断相位相对容易展开，在进行简单空间行列展开后得到参考平面展开相位φ_o。将被测物体的截断相位与参考平面展开相位φ_o二者的差值与2π相比较，可以获得第一相位级次K，其中K为正整数。第一相位级次K可以指导截断相位的展开，具体的表达形式可以如下：

其中，相应的第一相位级次K可表示为：

其中，floor函数为向下取整函数。

步骤S1033，根据所述第一相位级次和所述参考平面展开相位得到所述被测物体的第一展开相位。

在获得正确的第一相位级次K后，可以得到被测物体的被测面的展开相位φ₁，该展开相位可用作后续的相位融合：

步骤S1035，将所述第一展开相位和所述参考平面展开相位进行做差处理，得到所述第一相位分布结果。

可选地，选取被测物体(256*256像素的peaks函数，条纹周期p＝21像素)截断相位分布中的一行为例来阐述该相位展开的过程和原理。如图4所示，图4(a)为参考平面上该行展开相位分布，图4(b)为被测物体上该行的截断相位，图4(c)为图4(a)和图4(b)两个相位分布之差与2π相比后得到的第一相位级次值K。图4(d)为图4(b)对应的展开相位，图4(e)为被测物体展开相位并扣除参考平面相位的相位分布，即被测物体高度引起的相位变化，可用来重建被测物体对应高度分布。其中，横轴表示在X位置上像素(Pixel)的变化，竖轴表示相位(Phase)变化，单位为弧度(Rad)。

步骤S105，构建虚拟平面连续相位，根据所述截断相位和所述虚拟平面连续相位进行展开操作，得到第二相位分布结果。

可选地，在本实施例中，当被测物体的表面形状相对较为复杂或是相位截断次数较多时，需要在参考平面的基础上虚拟出新的虚拟平面来辅助被测表面的相位展开。

可选地，需要构建虚拟平面相位，需要说明的是，在本实施例中，构建的虚拟平面可以为一个也可以为多个。可选地，虚拟平面连续相位φ_s与参考平面展开相位φ_o之间满足如下关系：

(φ_o-2nπ)<φ_s<(φ_o+2nπ)

其中，n为正整数(1,2,3,…,n)。即虚拟平面连续相位φ_s要略小于φ_o+2nπ或是略大于φ_o-2nπ，以便能够准确地确定相位截断级次。

具体地，请参阅图5，步骤S105可以包括步骤S1051、步骤S1053以及步骤S1055三个子步骤。

步骤S1051，将所述截断相位和所述虚拟平面连续相位进行做差处理，将差值与2π相比较得到第二相位级次。

步骤S1053，根据所述第二相位级次和所述虚拟平面连续相位得到所述被测物体的第二展开相位。

步骤S1055，将所述第二展开相位和所述参考参考平面展开相位进行做差处理，得到所述第二相位分布结果。

可选地，所述第二相位分布结果获取的大致步骤与所述第一相位分布结果获取步骤相似，在此不作一一赘述。

即在获得虚拟平面连续相位之后，按照上述公式(6)～公式(8)进行展开操作得到被测物体的展开相位，结合该展开相位及基于参考平面获得的展开相位可进行后续的相位融合。

步骤S107，将所述第一相位分布结果和所述第二相位分布结果进行相位区域融合，得到所述被测物体的展开相位及高度分布结果。

具体地，请参阅图6，步骤S107可以包括步骤S1071、步骤S1073以及步骤S1075三个子步骤。

步骤S1071，将所述第一相位分布结果和所述第二相位分布结果进行相位区域融合。

步骤S1073，扣除在构建所述虚拟平面连续相位时引入的相位级次，得到所述被测物体的相位分布。

不失一般性地，在利用虚拟平面进行截断相位展开时，会人为地造成相位级次的变化，因此需要在多个展开相位区域融合时，消除掉人为引入的相位级次变化。

步骤S1075，根据所述被测物体的展开相位与高度之间的关系，重建所述被测物体的高度分布。

在具体实施时，选取被测物体(256*256像素的6.3*peaks函数，条纹周期p＝21像素)，在由行列相位展开方法得到参考平面展开相位φ_o后，将得到的参考平面展开相位φ_o按照公式(6)～(8)执行第一次展开操作并扣除参考平面展开相位，得到第一相位分布结果，如图7(a)所示，其中，X轴(Position X)上图像单位为像素(Pixel)，Y轴(Position Y)上图像单位为像素(Pixel)。

根据虚拟平面的构建要求，得到虚拟平面连续相位φ_s1和φ_s2，其中，φ_s1＝φ_o-2π+1，φ_s2＝φ_o+2π-1。将得到的虚拟平面连续相位φ_s1和φ_s2按照公式(6)～(8)执行第二次和第三次展开操作并扣除参考平面展开相位，得到第二相位分布结果和第三相位分布结果，分别如图7(b)和图7(c)所示。

选取图7(a)、图7(b)和图7(c)中虚线这一列，得到的相应的相位分布如图8(a)所示，其中，图8(a)中表示图7(a)虚线的曲线展开出错的部分，可以用表示图7(b)中虚线的曲线来融合，那么在图7(a)中区域1和区域2在图7(b)中所示的第二次展开操作后是连续的，所以可以融合两次展开的相位分布，得到区域1和区域2的正确相位。

如果选取图7(a)、图7(b)和图7(c)中实线这一列，得到的相应的相位分布如图8(b)所示。图8(b)中表示图7(a)实线的曲线展开前面截断部分在区域2已经由图7(b)融合成正确相位(图8(a))，该曲线后面未展开的部分可以利用图8(b)中表示图7(c)实线部分的曲线进行融合。图7(a)中区域3在图7(c)所示的第二次展开操作后是连续的，所以可以利用两次展开的相位分布得到区域3的正确相位。最终得到被测物体的正确展开相位，如图7(d)所示。进而，得到被测物体的重建高度分布，如图9所示，其中，被测物体三维图分别用X位置、Y位置以及高度Height位置上的像素表示，高度的单位为毫米(mm)。

如图10所示，是本发明实施例提供的一种相位展开系统110的功能模块框图。该相位展开系统110包括截断相位获取模块111、第一展开模块112、第二展开模块113以及融合模块114。下面对图10所示的各功能模块进行详细阐述。

所述截断相位获取模块111用于根据投射到被测物体表面的结构光获得所述被测物体的截断相位。该模块可用于执行图2中所示的步骤S101。

所述第一展开模块112用于通过拍摄得到参考平面并获取参考平面展开相位，根据所述截断相位和所述参考平面展开相位进行展开操作，得到第一相位分布结果。该模块可用于执行图2中所示的步骤S103。

所述第二展开模块113用于构建虚拟平面连续相位，根据所述截断相位和所述虚拟平面连续相位进行展开操作，得到第二相位分布结果。该模块可用于执行图2中所示的步骤S105。

所述融合模块114用于将所述第一相位分布结果和所述第二相位分布结果进行相位区域融合，得到所述被测物体的展开相位及高度分布结果。该模块可用于执行图2中所示的步骤S107。

具体地，请参阅图11，所述第一展开模块112包括第一相位级次获取子模块1121、第一展开相位获取子模块1122以及第一相位分布获取子模块1123。

所述第一相位级次获取子模块1121用于将所述截断相位和所述参考平面展开相位进行做差处理，将差值与2π相比较得到第一相位级次。该模块可用于执行图3中所示的步骤S1031。

所述第一展开相位获取子模块1122用于根据所述第一相位级次和所述参考平面展开相位得到所述被测物体的第一展开相位。该模块可用于执行图3中所示的步骤S1033。

所述第一相位分布获取子模块1123用于将所述第一展开相位和所述参考平面展开相位进行作差处理，得到第一相位分布结果。该模块可用于执行图3中所示的步骤S1035。

具体地，请参阅图12，所述第二展开模块113包括第二相位级次获取子模块1131、第二展开相位获取子模块1132以及第二相位分布获取子模块1133。

所述第二相位级次获取子模块1131用于将所述截断相位和所述虚拟平面连续相位进行做差处理，将差值与2π相比较得到第二相位级次。该模块可用于执行图5中所示的步骤S1051。

所述第二展开相位获取子模块1132用于根据所述第二相位级次和所述虚拟平面连续相位得到所述被测物体的第二展开相位。该模块可用于执行图5中所示的步骤S1053。

所述第二相位分布获取子模块1133用于将所述第二展开相位和所述参考平面展开相位进行做差处理，得到所述第二相位分布结果。该模块可用于执行图5中所示的步骤S1055。

具体地，请参阅图13，所述融合模块114包括相位区域融合子模块1141、扣除子模块1142以及重建子模块1143。

所述相位区域融合子模块1141用于将所述第一相位分布结果和所述第二相位分布结果进行相位区域融合。该模块可用于执行图6中所示的步骤S1071。

所述第一扣除子模块1142用于扣除在构建所述虚拟平面连续相位时引入的相位级次，得到所述被测物体的相位分布。该模块可用于执行图6中所示的步骤S1073。

所述重建子模块1143用于根据所述被测物体的展开相位与高度之间的关系，重建所述被测物体的高度分布。该模块可用于执行图6中所示的步骤S1075。

本实施例提供的各功能模块的具体操作过程可以参照上述方法流程图中相应步骤的描述。

为了更清楚地说明本实施例提供的相位展开方法，下面示例性地给出该方法的两个具体试验案例。

第一案例

本案例中，被测物体是一个猫脸的模型，如图14(a)所示，得到的被测物体的截断相位如图14(b)所示，对截断相位实施相位展开操作的分解步骤如下：

a、由空间行列相位展开方法得到参考平面的参考平面展开相位φ_o。

b、将得到的参考平面展开相位φ_o按照公式(6)～(8)执行第一次相位展开操作并扣除参考平面展开相位，得到第一相位分布结果，如图14(c)所示。根据虚拟平面的构建要求，得到虚拟平面连续相位为φ_s1＝φ_o-2π+1，以该虚拟平面连续相位为基础，按照上述公式执行第二次相位展开操作并扣除参考平面展开相位，得到第二相位分布结果，如图14(d)所示。

c、在上述第一次展开操作未展开的区域相位(图14(c))在第二次相位展开操作后(图14(d))是连续的，如图14(e)所示，融合两次展开的相位分布，得到被测物体最终的相位展开分布，如图14(f)所示。

第二案例

本案例中，被测物体是一个三层叠放的塔状物体，如图15(a)所示，得到的被测物体的截断相位如图15(b)所示，对被测物体截断相位实施相位展开的分解步骤如下：

a、由空间行列相位展开方法得到参考平面的参考平面展开相位φ_o。

b、将得到的参考平面展开相位φ_o按照公式(6)～(8)执行第一次相位展开操作并扣除参考平面展开相位，得到第一相位分布结果，如图15(c)所示。根据虚拟平面的构建要求，得到虚拟平面连续相位为φ_s1＝φ_o-2π+1，以该虚拟平面连续相位为基础，按照上述公式执行第二次相位展开操作并扣除参考平面展开相位，得到第二相位分布结果。

c、在上述第一次展开操作未展开的区域相位在第二次相位展开操作后是连续的，如图15(c)所示，融合两次展开的相位分布，得到被测物体最终的相位展开分布，如图15(d)所示。

综上所述，本发明提供的相位展开方法及系统，通过在参考平面展开相位的基础上构建虚拟平面连续相位来辅助被测表面的相位展开，进行多次分级相位展开，结合多个展开相位结果以得到最终正确的展开相位。本发明提供的相位展开方法无需标记与编码，展开速度快，且不需在二维平面内进行逐点空间相位展开，不会产生误差传递蔓延和扩散。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。