相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法
【专利说明】相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于光学三维测量领域，涉及一种基于恒定相位投影技术的相移法条纹投 影三维测量轮廓术的投影与采样环节可调参数的优化选用方法。 【【背景技术】】
[0002] 三维测量是工业加工、检测中的必须环节，对于保证产品质量有着重要意义。同 时，它在逆向工程、3D打印等领域也有着广泛应用。近年来，随着科技的发展，对三维测量的 要求也逐步提高，对全场三维测量的需求越来越广泛。基于条纹投影的相位测量轮廓术，由 于其测量精度较高、速度快、点云密集，近三十年来得到了快速发展与广泛应用。其中相移 法相位测量轮廓术，与其它条纹投影相位测量轮廓术相比测量精度更高、对测量表面适应 性更强，实际应用更为广泛。
[0003] 相移法相位测量轮廓术中的主要可调参数包括条纹幅值、条纹背景项、相移步数 等。可调参数优化选用的目的是用最短的测量时间得到满足测量精度要求的解调相位。虽 然近些年来相移法相位测量轮廓术得到了广泛而深入的研究，但是在关于其投影与采样环 节可调参数优化选用上的系统研究工作却较少。
[0004] 已有的一些研究工作大多集中在对某个参数的优化选用上。文献《Maximum SNR pattern strategy for phase shifting methods in structured light illumination)) 述及了解调相位中随机噪声的传统去除方法一一提高采样次数，文章中采用了 2000次 采样的策略用于消除随机噪声D文献《Gamma model and its analysis for phase measuring profilometry》通过理论分析得到了相移步数对解调相位精度影响的理论模 型，通过该模型指出了相移步数越多解调相位精度越高这一测量规律。文献《Generic gamma correction for accuracy enhancement in fringe-projection profilometry)) 在利用《Phase error analysis and compensation for nonsinusoidal waveforms in phase-shifting digital fringe projection profilometry〉〉中部分推论的基石出上，通过 理论分析得出：采用七步相移法能够非常精确地求解得到解调相位。这些研究工作在实际 应用中都是很有价值的，对于相关参数的选用有着良好的指导意义。但是上述方法也存在 一些问题：首先，有些结论的得出是建立在一定的假设下的，而这些假设在实际测量中未必 完全成立；其次，它们都无法给出在选定参数下解调相位的量化误差，从而无法对所选条件 下的相位解调精度进行评价也无法实现对相应参数的快速优化选用。现在仍旧没有一种简 便、有效的相移法相位测量轮廓术可调参数的全面优化选用方法。 【
【发明内容】
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[0005] 本发明的目的在于提供一种相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，以 实现对相移法相位测量轮廓术主要可调参数的优化选用，从而克服现有技术存在的不足。 本方法的核心是：保持其它参数不变，控制一个或多个可调参数按照测量需求变化，同时编 码生成对应于可调参数各个值的恒定相位图并采样；解调得到采样图像的相位值，并进行 相位误差求解；分析相位误差随可调参数的变化规律，根据该变化规律以及实际测量需求 即可判定该参数的优化选用值。由于相移法相位测量轮廓术的相位解调是逐像素点进行 的，采用恒定相位图求得的优化选用参数即可作为实际测量时条纹图的优化选用参数。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1 :确定待评价的可设定参数P，并给定所有可设定参数的初值；
[0009] 步骤2 :采用恒定相位投影技术求解得到待评价参数的解调相位误差；
[0010] 步骤3 :改变待评价的可设定参数值，其他可设定参数值不变，重复步骤2,得到待 评价参数在不同设定值下的解调相位误差；
[0011] 步骤4 :根据解调相位误差统计特征得到满足测量要求或者测量效果达到最优时 被评价参数的设定值，这些值便是被评价参数实际测量中可选用的值，选取满足测量要求 且成本最低的被评价参数设定值作为该参数的优化选用值。
[0012] 进一步的，所述可设定参数包括条纹背景项、条纹幅值、采样数、相移步数、被测物 体表面反射率、相机曝光时间。
[0013] 进一步的，所述步骤2的具体方法为：针对待评价的可设定参数的给定值，确定 其恒定相位图，然后将该恒定相位图投影到待测量表面，采样图像，计算采样图像的解调相 位，将该解调相位对应的解包裹相位与恒定相位图设定的相位相减，即得解调相位误差。
[0014] 进一步的，恒定相位图根据以下公式计算：
[0015]
[0016] 其中，a为条纹背景项，b为条纹幅值，X、y为像素坐标；Φ是初相位，N为相移步 数，P为待评价参数；
[0017] 所述解调相位根据以下公式计算：
[0018]
[0019] 其中，为采样图像的灰度。
[0020] 进一步的，当评价参数为背景项a，幅值b，采样次数，被测物体表面反射率，或者 曝光时间时，Φ可以取任意值，但其优化选用值为〇°，当评价参数为相移步数N时，Φ的 取值范围为保证gamma效应引起的相位误差绝对值最大时的相位值。
[0021] 进一步的，步骤4中确定解调相位误差统计特性的方法主要包括相位误差的均方 根误差及相位误差绝对值最大值。
[0022] 进一步的，步骤4中确定解调相位误差统计特性的方法为：当待评价参数为条纹 幅值、条纹背景项，采样次数，被测物体表面反射率，或者曝光时间时，采用解调相位误差的 均方根误差，当待评价参数为相移步数时，采用相位误差绝对值的最大值。
[0023] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明是基于实验的，并非基于建立 在某种假设下的数学模型，能够直接测定各个参数取值对解调相位精度带来的真实影响， 并且能够提供量化结果；本发明能够综合评定条纹背景项、条纹幅值、曝光时间及相移步数 等可调参数对测量精度的影响，进而对这些参数做出整体的优化选用，提高测量精度；本发 明的实施不需要任何辅助仪器，在实际应用中更为实用。 【【附图说明】】
[0024] 图1为采样得到的不同幅值下的设定相位为0的恒定相位图，设定幅值分别为 (a)10、（b)20、（c)30、（d)50、（e)70、（f)90、（g)100 ;
[0025] 图2为对应于图I所示采样图像的解调相位误差的三维图，其对应恒定相位图的 幅值分别为（a) 10、（b) 20、（c) 30、（d) 50、（e) 70、（f) 90、（g) 100 ;这里坐标未明确标示，x、y 坐标为像素，z坐标为解调相位相位误差值，单位为弧度；
[0026] 图3为采用本发明所述方法实测得到的解调相位均方根误差随条纹幅值的变化 曲线图。 【【具体实施方式】】
[0027] 本发明公开了一种相移法相位测量轮廓术可调参数的优化选用方法，包括以下步 骤：
[0028] 步骤1 :保持测量中的其它可设定参数不变，按照实际测量需求更改某一个或多 个需要评价参数的设定值；
[0029] 步骤2 :采用恒定相位投影技术求解得到被评价参数在不同设定值下的解调相位 误差；
[0030] 步骤3 :分析得到解调相位误差统计特性满足测量要求或者达到最优值时被评价 参数的设定值，这些值便是被评价参数实际测量中可选用的值，选取满足测量要求且成本 最低的被评价参数设定值作为该参数的优化选用值。
[0031] 步骤1中所述的可设定参数包括但不限于条纹背景项、条纹幅值、采样数、相移步 数、被测物体表面反射率、相机曝光时间等参数。当然由于采用了恒定相位条纹图，个别可 调参数无法通过该方法进行优化选用，比如条纹周期。
[0032] 假设需要评价参数P，按照步骤1所述，保持其它参数不变，调节P的值，同时针对 每个参数P，按照步骤2编码生成如下恒定相位图：
[0033]
[0034] 其中，a为条纹背景项，b为条纹幅值，X、y坐标为像素；Φ是一设定的相位值，N 为相移