一种基于掩膜切割部署的质量图引导相位展开方法

1.本发明涉及三维重建技术领域，具体涉及一种基于掩膜切割部署的质量图引导相位展开方法。


背景技术：

2.相位展开是光栅投影三维重建、光学干涉测量、干涉合成孔径雷达、自适应光学、固体物理和医学磁共振图像处理等领域的研究热点之一，这些领域中，研究对象的信息以相位表示，相位通过反正切函数计算得到，被包裹在的主值区间内，需利用相位展开技术重建研究对象对应的真实相位。由于轮廓不连续、噪声、条纹欠采样等因素，相位展开较为困难。为此，人们提出了多种相位展开方法，其中应用最广泛的是路径积分方法。
3.路径积分方法通过沿一定的路径对包裹相位图积分，来重建真实的相位轮廓，具体又可分为三个子类：路径相关方法、分支阻断方法和质量导引方法。路径相关方法使用预先确定的积分路径，如逐行、逐列或螺旋线方式扫描整个包裹相位图；分支阻断方法把包裹相位图中的残差点以分支互连来平衡残差极性，并使积分路径不通过分支，在分支以外的区域按任意路径进行相位展开；质量导引方法使用一个表征包裹相位质量的质量图来引导相位展开。它先从相位图中质量最高的像素开始，按相位质量由高到低的次序逐步对相位图进行路径积分。
4.1996年flynn提出了一种新的分支阻断算法，称之为掩膜切割算法。它利用质量图设置分支，从残差点周围质量最低的点开始生长分支，使分支尽可能地处于低质量区域，在平衡所有残差点后，在分支以外的区域按任意路径进行相位展开。然而掩膜阻断算法存在固有的缺陷，在实际应用中会出现信噪比低、轮廓不连续几何特征复杂的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于掩膜切割部署的质量图引导相位展开方法，旨在解决掩膜阻断算法在实际应用中存在的信噪比低、轮廓不连续几何特征复杂的技术问题，并加快质量图引导算法的相位展开速度。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于掩膜切割部署的质量图引导相位展开方法，包括下列步骤：
7.制作初始相位质量图，并生成残差点分布图；
8.基于所述初始相位质量图和所述残差点分布图生成掩模切割线；
9.平衡设置所述掩模切割线，将所述初始相位质量图转化生成新质量图；
10.新质量图引导相位展开。
11.其中，在制作初始相位质量图，并生成残差点分布图的过程中，利用包裹相位图的相位导数方差作为初始相位质量图，并根据所述初始相位质量图生成残差点分布图。
12.其中，在包裹相位中循环遍历计算最小路径的相位差环路积分，利用理想状态下相位差环路积分一定等于零的特性找到残差点。
13.其中，基于所述初始相位质量图和所述残差点分布图生成掩模切割线，包括下列步骤：
14.从残点开始，将残点附近的四个像素点放入队列，将队列中质量最低的点作为掩模切割线上的新生形成点，作为种子点；
15.将相邻的四个像素点放入队列中，将质量最低的点作为新生的种子点掩模相切，并作为种子点；
16.循环以上步骤，直到掩模切割线包含相同数量的正、负残差点，或将掩模切割线连接到图像边界。
17.其中，将所述初始相位质量图转化生成新质量图的过程，具体为将所述初始相位质量图对应所述掩膜切割线中的像素的质量值设置为最低，其余位置的质量值保持不变，得到新质量图。
18.其中，在新质量图引导相位展开的过程中，首先从所述新质量图中质量最高的点出发，通过加上2π的整数倍来展开与该点相邻的点，并把它们放入一个队列中，取队列中质量最高的点作为种子点，展开与其相邻的点，再把种子点与相邻的点放入队列中并按质量高低对队列重新排序，取队列中质量最高的点作为新的种子点，反复操作直至队列为空完成整个路径积分过程。
19.本发明提供了一种基于掩膜切割部署的质量图引导相位展开方法，利用包裹相位图的相位导数方差作为初始相位质量图，并根据初始相位质量图生成残差点分布图，再结合两者生成掩模切割线，将掩膜切割部署引入质量图引导算法中，生成新的质量图以避免不连续区域与噪声对相位展开的影响，并且能够在保证相位展开准确率的前提下，缩短相位展开过程的时间，具有较好的噪声免疫性,能处理轮廓特征复杂的相位展开问题。
附图说明
20.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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明的一种基于掩膜切割部署的质量图引导相位展开方法的流程示意图。
22.图2是本发明的一种基于非线性用电负荷的电表台区识别方法计算相位差的环路积分流程示意图。
23.图3是本发明的掩模切割的生成过程示意图。
24.图4是本发明中的初始相位质量图与新质量图比较图。
25.图5是本发明中的相位展开过程及对应的队列示意图。
26.图6是本发明的具体实施例的尺寸为10
×
10的加噪包裹相位图相位展开过程示意图。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.请参阅图1，本发明提出了一种基于掩膜切割部署的质量图引导相位展开方法，包括下列步骤：
29.s1：制作初始相位质量图，并生成残差点分布图；
30.s2：基于所述初始相位质量图和所述残差点分布图生成掩模切割线；
31.s3：平衡设置所述掩模切割线，将所述初始相位质量图转化生成新质量图；
32.s4：新质量图引导相位展开。
33.以下结合具体实施步骤作进一步说明：
34.步骤s1：制作初始相位质量图，并生成残差点分布图。利用包裹相位图的相位导数方差作为初始相位质量图，并根据初始相位质量图生成残差点的分布图。
35.具体的，相位导数方差的计算公式如下所示：
[0036][0037]
其中，n为窗口大小，x(x,y)和y(x,y)为窗口中每个点x和y方向的相位导数，a(x,y)和b(x,y)分别为窗口中x和y方向的相位导数平均值。
[0038]
利用理想状态下相位差环路积分一定等于零的特性找到残差点，残差点的存在会导致相位差的环路积分不为零。在包裹相位中循环遍历计算最小路径的相位差环路积分，具体如图2所示：
[0039]
其中，
[0040]
δ1＝w{ψ(m+1,n)-ψ(m,n)}
[0041]
δ2＝w{ψ(m+1,n+1)-ψ(m+1,n)}
[0042]
δ3＝w{ψ(m,n+1)-ψ(m+1,n+1)}
[0043]
δ4＝w{ψ(m,n)-ψ(m,n+1)}
[0044][0045]
w{.}代表将相位值除2π的操作，charge表示环路积分，δi表示相位差，为了便于标记残点，在最小路径中，约定标记左上角像素为残点。计算此环路积分只有3种结果，0，
±
1。当环路积分计算等于0，这是一个正常的位置，等于+1，定义为正残差点，等于-1，定义为副残差点。
[0046]
步骤s2：基于所述初始相位质量图和所述残差点分布图生成掩模切割线，包括以下步骤：
[0047]
步骤2.1：从残点开始，将残点附近的四个像素点放入队列，将队列中质量最低的点作为掩模切割线上的新生形成点，作为种子点。
[0048]
步骤2.2：将相邻的四个像素点放入队列中，将质量最低的点作为新生的种子点掩模相切，并作为种子点。
[0049]
步骤2.3：循环以上步骤，直到掩模切割线包含相同数量的正、负残差点，或将掩模
切割线连接到图像边界。掩模切割线的生成过程如图3所示。
[0050]
其中根据二维相位展开的残差定理：
[0051][0052]
φ(x，y)是在(x，y)处的包裹相，r是被积分环包裹的残基的极性之和。为了实现正确的相位展开，需要在包裹相位图中从某个起点到另一个起点的相位展开结果与所选择的积分路径无关，上述方程中的循环积分结果为零，这与寻找残差点分布的思路一致。因此生成平衡残点的掩模切割线，使相位展开的路径不通过或最后通过掩模切割线，掩模切割线所在的位置应尽量在较低的相位质量区域，以便将不可避免的相位展开误差限制在最小。
[0053]
经过上述处理后，需要简化掩模切割线，扫描与非掩模切割线相邻的每个掩模切割像素，如果该像素不邻近残点像素，则可以在不改变掩模切割线的连通的情况下从掩模切割线中消除该像素。最终得到掩模切割线如图3(e)所示。
[0054]
步骤s3：平衡设置所述掩模切割线，将所述初始相位质量图转化生成新质量图；
[0055]
具体的，平衡设置掩模切割线后，将初始质量图对应掩膜切割线中的像素的质量值设置为最低，其余位置的质量值保持不变，得到新的质量图，初始质量图和新质量图如4所示。
[0056]
步骤s4：新质量图引导相位展开。
[0057]
质量图引导相位展开过程的基本思想如下：从新质量图中质量最高的点出发,通过加上2π的整数倍来展开与该点相邻的点,并把它们放入一个队列中。取队列中质量最高的点作为种子点,展开与其相邻的点,并把它们放入队列中并按质量高低对队列重新排序,取队列中质量最高的点作为新的种子点。如此反复,直至队列为空完成整个路径积分过程。具体过程如图5所示：
[0058]
首先，具有最高质量值的像素点a3被选作展开过程的起始点，标记为深色，并且将该像素插入到如图5(b)所示的队列。然后节点a3从队列中选取并删除并对其邻近像素a2、b3和a4进行展开如图5(c)所示。展开后，将a2、b3和a4插入到优先队列中如图3(d)所示遇到相同质量值的像素点时后插入的置于队列首部。在从优先队列中提取最高质量像素点时，也从对应队列首部取出。节点a2从队列中删除，其未展开邻域像素a1和b2展开后，插入到队列中如图5(e)、5(f)所示。这个迭代过程一直持续到队列变为空为止，以确保所有的像素被展开。
[0059]
按照在以上具体实施过程中,可通过设置递增或递减的质量阈值以控制质量导引过程,使队列的长度控制在一定范围,从而提高算法的计算效率。
[0060]
进一步的，本发明还提供了一个具体实施例：
[0061]
如图6所示，是对一幅尺寸为10
×
10的加噪包裹相位图相位展开过程的演示。图6(a)是无噪声的高斯分布模拟相位图，包裹操作得到无噪包裹相位图6(b)，添加噪声可得到加噪声包裹相位图6(c)，依据图4(a)中的初始质量图可以得到包裹相位图中的残差点分布图，利用相位导数方差生成的初始质量图能够有效、正确地反映实际的相位分布，保证准确找到包裹相位中的残差点。
[0062]
计算出残差点，解包裹的路径只要躲开这些残点，就能保证解包裹的结果准确，因此需要生成掩膜切割消除残差点对相位展开的影响。依照掩膜切割的生成步骤得到掩膜切
割线，对于有4个残差点(2个为正残点，2个为负残点)的包裹相位图，生成的掩膜切割线可以平衡残差极性。
[0063]
掩膜切割的特点是利用相位质量图来优化枝切线的设置，将生成的枝切线限制在低质量相位区域，防止因枝切线设置不当造成的误差传播。它在检测出残差点后，依靠质量图引导，穿过低质量区域生成像元掩膜，当生成的像元所连接的残差点电荷平衡或像元掩膜到达图像边界时，停止生长。完成掩膜生成后，对其进行细化处理，缩小掩膜区域，然后以剩余掩膜作为最终掩膜切割，绕过掩膜切割求解展开相位，因而可以获得良好的相位展开效果。
[0064]
依据掩膜切割线得到图4(b)的新质量图，新的质量图通过借助掩膜切割完成了对残差点的处理，保证了之后相位展开过程的准确性，进行质量图引导相位展开后，得到图6(f)的展开相位图。
[0065]
同时相位展开的顺序通过像素点的质量值进行排序得到，改善了质量图引导中传统洪水填充算法带来的相位展开过程花费时间长、效率低的缺陷。
[0066]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。