利用高维亮度信息的条纹图像的相位分布分析方法、装置及其程序制造方法及图纸

条纹图像相位分布分析技术中，通过时间亮度信息或者空间亮度信息的其中一个的一维离散傅里叶变换来计算相位，但由于测定对象物的反射率的极端性的明暗，所取得的条纹图像的对比度(SN比)差，相位分布分析结果中产生较大的误差，或在测量中由于环境振动或相位偏移设备的性能而相位偏移量中包含误差的情况下也产生较大测量误差，所以希望提高相位分布分析精度。通过根据高维亮度数据进行间隔剔除和图像插值处理，生成多张相位偏移了的云纹条纹图像，通过二维或三维离散傅里叶变换求得云纹条纹的相位分布。进而，通过加上间隔剔除的相位分布，求得原来的条纹图像本身的相位分布。由于使用存在于时空间的高维亮度信息，难以受到随机噪声和振动的影响，即使在测量条件差的情况下，也能够高精度地进行相位分布分析。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用高维亮度信息的条纹图像的相位分布分析方法、装置及其程序
本专利技术涉及对于一张或多张相位偏移了的条纹图像，分析根据存在于时空间的高维亮度信息生成的云纹(Moiré)条纹的相位信息，从而能够应用于与以往相比高精度的测定的条纹图像的相位分布分析方法以及使用该方法的条纹图像的相位分布分析装置的技术。
技术介绍
条纹图像的相位分析技术在多个领域中被活用。通过将栅格图样投影到测定对象物表面，分析从照相机拍摄到的根据物体的高度而歪斜的栅格图像的相位，从而进行高精度的三维形状变形测量。存在根据利用基于光的干涉现象的激光的各种干涉仪的干涉条纹分析，测定光学部件的微小的光学特性的不同、透明材料的厚度、折射率的分布、倾斜角度的技术。此外，还存在根据基于电子全息(holography)的条纹图像来分析电磁场的技术。进而，在医疗领域中，也需要在再生医疗工学中对作为产品的细胞的组织质量(细胞的立体像)非侵入地进行测量。此时，例如存在使用由FK光学研究所的远藤润二氏开发的相位偏移激光显微镜的情况。能够根据一张或多张相位被偏移了的条纹图像来高精度且快速地进行分析的方法以及分析装置变得非常重要。为了定量地求得测定对象的物理量(形状、变形、翘曲或折射率等)，需要高精度地提取条纹的相位信息。为了根据条纹图像而提取相位信息，作为以往的方法，存在FFT(傅里叶变换)法、小波变换(wavelet)法、相位偏移法等。在这些相位分析方法中，分为利用时间性亮度信息来分析条纹图像的相位的“时间性相位分析方法”和利用空间性亮度信息来分析条纹图像的相位的“空间性相位分析方法”。由于空间性分析方法能够根据一张条纹栅格图像计算相位分布，所以面向动态测量。另一方面，由于时间性分析方法能够按照相机的每个像素计算相位，所以面向高分辨率的分析。以往，作为时间性分析方法之一提出了相位偏移法(非专利文献1)。相位偏移法是根据具有下式所示的亮度分布I(x,y；t)的T张数字图像数据(以后，将拍摄到的具有栅格图样的数字图像简称为“条纹图像”)求得相位分布的方法。[数1]在此，Ia和Ib分别为条纹栅格的亮度振幅(频率1的振幅分量)和背景亮度(频率0的振幅分量)。P为条纹栅格的间距(pitch)，为条纹栅格的初始相位，为最终想要求得的条纹图像的相位值。x和y为光学数字照相机(在此所说的光学数字照相机意味着无论CCD传感器、CMOS传感器等摄像元件的种类而能够拍摄数字图像数据的数字照相机或者摄像机，以后简单地省略为“照相机”)上的位置坐标(一般为整数)。t为多张栅格图像的编号，2πt/T是表示相位偏移的项。对于式(1)，关于t应用离散傅里叶变换(DFT)，求得频率1的分量的偏角，从而得到相位分布。[数2]在基于栅格投影法和干涉仪的条纹图像的相位测量中，生成相位偏移了的T张条纹栅格图样，通过式(2)分析分别由光学照相机拍摄而得到的多张条纹栅格图像。条纹栅格的亮度振幅Ia和背景亮度Ib能够通过式(3)以及式(4)计算。[数3][数4]另一方面，在以往的空间性分析方法中提出了采样云纹法(专利文献1)。采样云纹法是根据通过对一张条纹栅格图像以与原栅格的间距接近的间隔进行下采样(downsampling)(间隔剔除处理)而产生的、相位偏移了的多张云纹条纹，求得相位分布的方法。图1中表示专利文献1所示的采样云纹法中使用的间隔剔除(thinning)和亮度插值(interpolation)处理的方法。在此“间隔剔除处理”是指，对于照相机上记录到的一张条纹栅格图像(图1(a))，从图像的左端或者右端起每隔一定间隔即M像素提取亮度数据。如图1(b)所示，通过改变多个间隔剔除的开始点，从而能够从一张图像得到多个间隔剔除了的图像。此外“亮度插值”是指，如图1(c)所示，使用周围的亮度数据对缺少的一部分亮度数据进行插值的处理。图2表示基于以往的一维采样云纹法的单镜头(oneshot)的条纹栅格图像的相位分析的原理。若通过光学照相机拍摄包含有规则的栅格图样的对象物(图2(a))，则得到一张条纹栅格图像。尤其是在栅格图样的亮度变化为正弦波或者余弦波的情况下，由式(5)表示。[数5]在此，x和y为照相机上的位置坐标(一般为整数)，Ia和Ib分别为条纹栅格的亮度振幅(频率1的振幅分量)和背景亮度(频率0的振幅分量)。为条纹栅格的初始相位，为最终想要求得的条纹图像的相位值。此外，P为所拍摄到的图像上的间距间隔。若对于所拍摄到的该一张条纹栅格图像，以与P接近的间距间隔M(M一般为整数)进行图像的间隔剔除处理，使用相邻的图像的亮度值进行亮度插值，则能够得到空间频率低、即间距间隔大的条纹图像(以后将其简称为“云纹条纹图像”)。通过进一步将间隔剔除的开始点m逐次改变一个像素的同时进行亮度插值，从而能够得到如图2(b)所示那样相位被偏移了的M张云纹条纹图像，由式(6)表示。[数6]由于云纹条纹中相位关于间隔剔除的开始点m按2π/M逐次偏移，若对式(6)关于m应用一维离散傅里叶变换(DFT)，则能够求得如图2(c)所示那样的云纹条纹的相位分布(x,y)。[数7]最终如式(8)所示，条纹栅格本身的相位分布(图2(d))能够通过对云纹条纹的相位分布加上间隔剔除处理中的采样点的相位分布而求出。[数8]通过式(8)，能够根据一张条纹栅格图像求得条纹栅格本身的相位分布。在以往的任意方法中，都仅使用空间或者时间这样的一维的相位偏移了的亮度信息，通过一维离散傅里叶变换而计算相位。现有技术文献专利文献专利文献1：专利第4831703号，专利技术名称：物体の変位測定方法，专利技术人：藤垣元治，李志远，森本吉春，申请人：和歌山大学非专利文献非专利文献1：Bruning,J.H.etal,DigitalWavefrontMeasuringInterferometerforTestingOpticalSurfacesandLenses,AppliedOptics,Vol.13,No.11,p.2693-2703(1974).
技术实现思路
专利技术要解决的课题在以往的相位分析技术中，通过时间的亮度信息或者空间的亮度信息的其中一个的一维离散傅里叶变换来计算相位。另外，相位误差的偏差σn和相位偏移张数N的关系作为式(9)而已知。[数9]在此，σn为随机噪声的标准差，SNR＝Ia/σn为信噪比。相位误差的偏差与拍摄张数N的平方根和拍摄图像的SNR成反比例，是两个参数的积的21/2倍。从而，可预料到通过增加相位偏移张数而取得较多的栅格图像，从而提高相位分析精度。例如，使测量精度提高10倍需要得到100倍的相位偏移图像。但是，由于拍摄张数平方地增加，存在测量速度大幅降低这样的困境(dilemma)。在各种现场中的测量中，经常存在以下情况：由于测定对象物的反射率极其亮或暗，所以所取得的条纹图像的对比度(SNR)差，相位分析结果中产生较大的误差，或者由于测量中环境振动或相位偏移设备的性能而相位偏移量中包含误差的情况下也较大地产生测量误差。处于希望进一步提高相位分析精度而不增加测量时间的状况。用于解决课题的手段本专利技术是鉴于这样的状况而完成的，即使在SNR比非常低或者包含相位偏移误差的条纹栅格图像中，也能够以比以往方法更高的精度进行相位分析而不增加拍摄张数。本专利技术作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种条纹图像的相位分布分析方法，用于计算将物体表面上的条纹图样通过在水平方向以及垂直方向上配置了拍摄元件的光学数字照相机拍摄而得到的条纹图像的相位分布，其特征在于，具有：拍摄一张或者偏移时间相位而拍摄多张所述物体表面上的条纹图样，取得二维条纹图像或者将多张二维条纹图像按照时序配置而构成的三维条纹图像的步骤；对所述一张二维条纹图像或者所述三维条纹图像的亮度数据至少进行间隔剔除处理，生成相位被偏移了的多张云纹条纹图像的步骤；对所述相位被偏移了的云纹条纹图像使用快速傅里叶变换或者离散傅里叶变换求得水平方向或者垂直方向的云纹条纹图像的相位分布的步骤；以及对所述相位分布的各点的值加上所述间隔剔除处理中的该间隔剔除点的相位的值，计算所述物体上的条纹图样图像的相位分布的步骤。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.14 JP 2012-0574361.一种条纹图像的相位分布分析方法，用于计算将物体表面上的条纹图样通过在水平方向以及垂直方向上配置了拍摄元件的光学数字照相机拍摄而得到的条纹图像的相位分布，其特征在于，具有：拍摄一张所述物体表面上的条纹图样，取得二维条纹图像的步骤；对所述一张二维条纹图像的亮度数据至少进行间隔剔除处理，生成相位被偏移了的多张云纹条纹图像的步骤；对所述相位被偏移了的云纹条纹图像使用快速傅里叶变换或者离散傅里叶变换求得水平方向或者垂直方向的云纹条纹图像的相位分布的步骤；以及对所述相位分布的各点的值加上所述间隔剔除处理中的该间隔剔除点的相位的值，计算所述物体上的条纹图样图像的相位分布的步骤，取得所述二维条纹图像的步骤是如下步骤：拍摄相对于所述光学数字照相机的拍摄元件的水平以及垂直的配置而在所述物体表面上在一个方向上或者相互正交的两个方向上倾斜配置的所述条纹图样，取得二维条纹图像的步骤，生成所述相位被偏移了的多张云纹条纹图像的步骤由以下步骤构成：对所述二维条纹图像在水平方向和垂直方向上分别按M像素和N像素的等间隔的像素依次改变水平方向和垂直方向的起点的像素的同时，各进行M次以及N次的间隔剔除处理的子步骤，其中，M和N都为3以上的整数；以及对通过所述间隔剔除处理得到的水平或者垂直方向的各个间隔剔除图像进行亮度值的插值处理，生成M×N张云纹条纹图像的子步骤。2.一种条纹图像的相位分布分析方法，用于计算将物体表面上的条纹图样通过在水平方向以及垂直方向上配置了拍摄元件的光学数字照相机拍摄而得到的条纹图像的相位分布，其特征在于，具有：偏移时间相位而拍摄多张所述物体表面上的条纹图样，取得将多张二维条纹图像按照时序配置而构成的三维条纹图像的步骤；对所述一张所述三维条纹图像的亮度数据至少进行间隔剔除处理，生成相位被偏移了的多张云纹条纹图像的步骤；对所述相位被偏移了的云纹条纹图像使用快速傅里叶变换或者离散傅里叶变换求得水平方向或者垂直方向的云纹条纹图像的相位分布的步骤；以及对所述相位分布的各点的值加上所述间隔剔除处理中的该间隔剔除点的相位的值，计算所述物体上的条纹图样图像的相位分布的步骤。3.如权利要求2所述的条纹图像的相位分布分析方法，其特征在于，取得所述三维条纹图像的步骤是如下步骤：偏移时间相位而拍摄T张相对于所述光学数字照相机的拍摄元件的水平以及垂直的配置而在所述物体表面上在水平方向或者垂直方向上配置的、或者在水平方向和垂直方向上以栅格状配置的所述条纹图样，取得相位被偏移了的多张二维条纹图像的步骤，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志远，
申请(专利权)人：独立行政法人产业技术总合研究所，
类型：发明
国别省市：日本;JP