基于双频锯齿波的结构光相位解码方法
【技术领域】
[0001]基于双频锯齿波的结构光相位解码方法属于结构光三维测量技术领域。
【背景技术】
[0002]三维形貌测量在科学研宄、医学诊断、工程设计、刑事侦查等领域均有广泛的应用。而结构光作为三维形貌测量手段的重要组成部分，以其非接触式、成本低、分辨率高和速度快的优势，得到了各国学者和工程技术人员的广泛关注。
[0003]结构光是一组由投影仪和摄像头组成的系统结构。用投影仪投射特定的光信息到物体表面后及背景后，再由摄像头进行采集，根据物体造成的光信号变化来计算物体的位置和深度信息，进而复原整个物体三维形貌。
[0004]编解码技术是结构光的关键技术问题之一，最原始的编解码方法是将投影光的整个周期投射到被测物体上，这种方式由于相邻两个像素之前的灰度值差值很小，因此抗干扰能力差。针对上述问题，发展了将两束不同频率光相结合的编解码方法，其中就包括将两个模拟编码光相结合的方法，该方法具有高采样密度、高分辨率和高测量准确度。然而，这类方法的相位展开算法复杂，而且在实际应用过程中，发现会存在相位主值测量误差导致相位跳变问题。
[0005]针对相位展开算法复杂以及相位跳变的问题，本课题组在2014年11月18日申请了发明专利《一种双频模拟编码光容错相位展开工程方法》，后文简称《相位展开工程方法》，该专利采用了一种非常简单的运算规则，即可实现相位展开，并且克服了相位跳变的冋题。
[0006]而随着工作的不断深入，发现《相位展开工程方法》可以更加完善，首先，投影到待测物体上的两束光线的周期可以不局限于正整数，而两束光的周期差值也可以不局限于I;此外，相位展开的计算方法同样可以进一步简化。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于对在先申请发明《一种双频模拟编码光容错相位展开工程方法》进行进一步完善。
[0008]为了实现上述目的，本发明公开了一种基于双频锯齿波的结构光相位解码方法，该方法在本课题组在先申请发明专利的基础上进行延续，不仅保留了在先申请发明的全部技术优势，而且同在先申请发明相比，灵活性更好，算法更简单。
[0009]本发明的目的是这样实现的:
[0010]基于双频锯齿波的结构光相位解码方法，包括以下步骤:
[0011]步骤a、分别投影波形函数为yl = klXmod(x, al)+bl的第一锯齿波和波形函数为y2 = k2Xmod(x, a2)+b2 的第二锯齿波；
[0012]其中:
[0013]kl决定第一锯齿波的对比度，al为第一锯齿波的波长，bl决定第一锯齿波的亮度；
[0014]k2决定第二锯齿波的对比度，a2为第二锯齿波的波长，b2决定第二锯齿波的亮度；
[0015]X为空间位置，mod O为取余数运算；
[0016]并且:
[0017]两个锯齿波起始点相同；
[0018]al/(a2_al) e N，N 为自然数；
[0019]步骤b、根据给定的空间位置X，X e (0，alXa2/(a2-al))，求所述空间位置X对应第一锯齿波的相位主值Phil和第二锯齿波的相位主值phi2 ；
[0020]步骤C、求解空间位置X所包含第一锯齿波的周期整数nl和第一锯齿波的周期整数n2:
[0021]nl = mod ((phil-phi2), a2)/abs (al~a2)；
[0022]n2 = mod ((phil_phi2)，al)/abs(al_a2)；
[0023]其中:abs为取绝对值运算；
[0024]步骤d、采用nlXal+phil或n2 X a2+phi2求解相位展开值。
[0025]上述基于双频锯齿波的结构光相位解码方法，所述的al和a2同为整数，或同为非整数，或一个为整数一个为非整数。
[0026]上述基于双频锯齿波的结构光相位解码方法，对于仿真运算，采用如下方法得到步骤b中的phi I和phi2:
[0027]phi I = mod (X, al)；
[0028]phi2 = mod (X, a2)。
[0029]一种实现上述基于双频锯齿波的结构光相位解码方法的投影采集系统，包括投影仪、被测物、以及图像采集系统，所述的投影仪向被测物投影结构光，图像采集系统采集投射有结构光的被测物图像，所述投影仪投射的结构光为:
[0030]波形函数为yl = kl Xmod (x, al) +bl的第一锯齿波和波形函数为y2 =k2Xmod(x, a2)+b2 的第二锯齿波；
[0031]其中:
[0032]kl决定第一锯齿波的对比度，al为第一锯齿波的波长，bl决定第一锯齿波的亮度；
[0033]k2决定第二锯齿波的对比度，a2为第二锯齿波的波长，b2决定第二锯齿波的亮度；
[0034]X为空间位置，mod O为取余数运算；
[0035]并且:
[0036]两个锯齿波起始点相同；
[0037]al/(a2_al) e N，N 为自然数。
[0038]有益效果:
[0039]第一、由于本发明的基本思想延续《相位展开工程方法》，因此，同样具有避免图像信息提取误差带来的测量粗大误差的技术优势，以及具有避免具有粗大误差的nl或n2对计算空间位置X实际值影响的技术优势。
[0040]第二、同《相位展开工程方法》相比，由于本发明对锯齿波函数的定义中包括决定锯齿波对比度的kl和k2，决定锯齿波亮度的bl和b2，而在求解空间位置X实际值时，又不受这些参数的影响，因此本发明方法可以在不改变锯齿波波长的前提下，根据实际需要随意调整锯齿波的波形，灵活性更具优势。
[0041]第三、同《相位展开工程方法》相比，由于本发明采用al/(a2_al) e N来限定锯齿波的周期，因此不要求锯齿波周期长度必须为正整数，也不要求两个锯齿波周期的差值必须为1，因此扩大了波形的适用范围，增加了实际应用时波形选择的灵活性。
[0042]第四、同《相位展开工程方法》相比，由于本发明采用al/(a2_al) e N来限定锯齿波的周期，使得在求解nl和n2时，无需采用《相位展开工程方法》中所采用的round取整运算，因此节省了运算步骤。
[0043]综上所述，本发明的基于双频锯齿波的结构光相位解码方法，不仅保留了本课题组在先申请发明的全部技术优势，而且同在先申请发明相比，灵活性更好，算法更简单。
【附图说明】
[0044]图1是具体实施例一所绘制的两个锯齿波的波形图。
[0045]图2是具体实施例二所绘制的两个锯齿波的波形图。
[0046]图3是具体实施例三所绘制的两个锯齿波的波形图。
【具体实施方式】
[0047]下面结合附图对本发明【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0048]具体实施例一
[0049]本实施例的基于双频锯齿波的结构光相位解码方法，用于验证在与《相位展开工程方法》参数相同条件下的有效性。
[0050]本实施例的基于双频锯齿波的结构光相位解码方法，包括以下步骤:
[0051]步骤a、分别投影波形函数为yl = klXmod(x, al)+bl的第一锯齿波和波形函数为y2 = k2Xmod(x, a2)+b2 的第二锯齿波；
[0052]其中:
[0053]kl = I，al = 9，bl = O ;
[0054]k2 = I，a2 = 10，b2 = O ;
[0055]X为空间位置，mod O为取余数运算；
[0056]并且:
[0057]两个锯齿波起始点相同；
[0058]al/ (a2_al) = 9 ；
[0059]按照步骤a参数所绘制的图形如图1所示；
[0060]步骤b、根据给定的空间位置38.75，求所述空间位置38.75对应第一锯齿波的相位主值Phil和第二锯齿波的相位主值phi2 ;其中:
[0061]phi I = mod (38.75，9) = 2.75 ；
[0062]phi2 = mod (38.75，10) = 8.75。
[0063]步骤c、求解空间位置38.75所包含第一锯齿波的周期整数nl和第一锯齿波的周期整数n2:
[0064]nl = mod ((phil_phi2)，a2)/abs (al_a2) = 4 ；
[0065]n2 = mod ((phil_phi2)，al)/abs (al_a2) = 3;
[0066]其中:abs为取绝对值运算；
[0067]步骤d、采用nlXal+phil或n2 X a2+phi2求解相位展开值，具体为:
[0068]nl X al+phi I = 4 X 9+2.75 = 38.75 ；
[0069]n2Xa2+phi2 = 3X 10+8.75 = 38.75。
[0070]可见，相位展开值的计算结果与给定的空间位置相同，验证了该方法在与《相位展开工程方法》参数相同条件下的有效性。
[0071]具体实施例二
[0072]本实施例的基于双频锯齿波的结构光相位解码方法，用于验证al和a2不全为整数时的有效性。
[0073]步骤a、分别投影波形函数为yl = klXmod(x, al)+bl的第一锯齿波和波形函数为y2 = k2Xmod(x, a2)+b2 的第二锯齿波；
[0074]其中:
[0075]kl = 1，al = 9，bl = O ;
[0076]k2 = 1，a2 = 10.5，b2 = O ;
[0077]X为空间位置，mod O为取余数运算；
[0078]并且:
[0079]两个锯齿波起始点相同；
[0080]al/(a2-al) = 6 ；
[0081 ] 按照步骤a参数所绘制的图形如图2所示；
[0082]步骤b、根据给定的空间位置38.75，求所述空间位置38.75对应第一锯齿波的相位主值Phil和第二锯齿波的相位主值phi2 ;其中:
[0083]phi I = mod (38.75，9) = 2.7