一种基于相位信息导向的立体相位展开方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相位信息导向的立体相位展开方法，首先利用双目相机采集一组三步相移条纹图，通过最小二乘法计算三步相移条纹图像获得包裹相位图。根据包裹相位图与双目相机和投影仪之间的标定参数构建关于候选级次的三维匹配代价空间，然后通过ZNCC计算包裹相位图获得初始匹配代价值，通过基于窗口的双边成本滤波方法获得最终的匹配代价值，通过WTA计算出相位级次图从而获得绝对相位图，从而实现立体相位展开。本发明专利技术仅需要一组三步相移条纹图即可实现鲁棒、高精度的立体相位展开。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位信息导向的立体相位展开方法
本专利技术属于光学测量
，具体为一种基于相位信息导向的立体相位展开方法。
技术介绍
近几十年来，快速三维形貌测量技术被广泛的应用于各个领域，如智能监控，工业质量控制和三维人脸识别等。在众多三维形貌测量方法中，基于结构光和三角测量原理的条纹投影轮廓术是最实用的技术之一，由于它具有无接触，全场，高精度和高效等优点。主流的条纹投影轮廓术一般需经过三个流程实现三维测量，分别是相位恢复，相位展开和相位到高度的映射。在相位恢复技术中，最常用的两种方法是傅里叶轮廓术和相移轮廓术。傅里叶轮廓术只需一张条纹图即可提取相位，但这种方法受到频谱混叠的影响，导致测量结果的质量很差，不能测量形貌复杂的物体。相比于傅里叶轮廓术，相移轮廓术具有对环境光不敏感、能够实现像素级相位测量的优点，它适合于测量具有复杂表面的物体。但是这个方法一般需要投影多幅相移条纹图(至少三幅)实现相位提取。随着高速相机和DLP投影技术的快速发展，使得相移轮廓术也可以用于实现快速三维测量。但是，傅里叶轮廓术和相移轮廓术都使用反正切函数提取相位，反正切函数的值域[0,2π]，因此这两种方法都只能得到不连续的包裹相位图，其中存在2π的相位跳变。因此，需要实施相位展开技术使不连续的包裹相位图变为连续的绝对相位图。目前主流的相位展开方法是时域相位展开法与空域相位展开法。其中空域相位展开只需一幅包裹相位图即可实现相位展开，但是不能有效测量复杂物体或者多个孤立物体，容易出现相位展开错误。相比较而言，时域相位展开能够稳定地展开包裹相位，但是需要使用多幅不同频率的-包裹相位图，这极大地影响相位展开的效率从而降低三维测量的速度。常用的空域相位展开技术有三个：多频法，多波长法和数论法。其中，多频法能够实现最好的相位展开结果，而多波长法则对噪声最敏感(文献“Temporalphaseunwrappingalgorithmsforfringeprojectionprofilometry:Acomparativereview”，作者ChaoZuo等)。多频法的原理是使用单周期的低频包裹相位展开高频包裹相位图，由于测量过程中的噪声影响，通常多频法只能展开频率为20的高频包裹相位图。而更高频率的相位图拥有更高的精度，因此为了实现高精度的三维测量往往需要投影多组不同频率的条纹图。这进一步降低了条纹投影轮廓术的测量效率从而抑制了其测量运动物体的能力。因此，针对基于条纹投影轮廓术的三维成像技术而言，目前尚缺乏一种测量精度与测量效率兼得的相位展开方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于相位信息导向的立体相位展开方法，仅需要一组三步相移条纹图即可实现鲁棒、高精度的立体相位展开。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于相位信息导向的立体相位展开方法，包括以下步骤：步骤1：通过双目相机采集一组三步相移条纹图；步骤2：通过最小二乘法计算三步相移条纹图像获得包裹相位图；步骤3：根据包裹相位图与双目相机和投影仪之间的标定参数构建关于候选级次的三维匹配代价空间；步骤4：通过ZNCC计算包裹相位图获得初始匹配代价值；步骤5：通过基于窗口的双边成本滤波方法获得最终的匹配代价值，通过WTA计算出相位级次图从而获得绝对相位图，实现立体相位展开。优选地，采集的三步相移条纹图像分别为：I1(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[Φ(x,y)]I2(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[Φ(x,y)+2π/3]I3(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[Φ(x,y)+4π/3]其中，I1(x,y)，I2(x,y)，I3(x,y)为对应的三步相移条纹图像光强，(x,y)为相机平面的像素坐标，A(x,y)为背景光强，B(x,y)为条纹的调制度，Φ(x,y)为待求相位。优选地，通过最小二乘法获得的包裹相位具体为：式中，I1(x,y)，I2(x,y)，I3(x,y)为三步相移条纹图像光强。优选地，步骤3中根据包裹相位图与相机和投影仪之间的参数构建关于候选级次的三维匹配代价空间，具体步骤为：根据从左相机处获得的包裹相位图φl(x,y)，构建三维的绝对相位空间Φl(n,x,y)，具体为：Φl(n,x,y)＝φl(x,y)+2πn,n＝0,1,2,3,...,N-1根据绝对相位得到投影仪平面上的水平坐标，具体为：其中，xP(n,x,y)为投影仪平面上的水平坐标，W为投影仪的横向分辨率；通过系统标定获得相机和投影仪之间的参数，结合投影仪平面上的水平坐标xP(n,x,y)得到在右相机平面上的坐标(xR(n,x,y),yR(n,x,y))；构建关于候选级次的三维匹配代价空间CostOrder(n,x,y)，具体如下式：CostOrder(n,x,y)＝Cost(x,y,xR(n,x,y),yR(n,x,y))。优选地，步骤4获得的初始匹配代价值，具体如下式：其中，φl(x,y)和φr(xR,yR)为左右两个相机获得的包裹相位图，和为对应的局部窗口的包裹相位均值，Cost(x,y,xR,yR)为初始匹配代价值，M为局部窗口的窗口半径。优选地，步骤5中获得的最终的匹配代价值具体如下式：式中，Δφ(i,j,x,y)＝|φ(x,y)-φ(x+i,y+j)|其中，ω(i,j,x,y)，ω1(i,j,x,y)，ω2(i,j,x,y)为滤波的权重值，Δφ(i,j,x,y)为相位的差异值，M为滤波的窗口半径，σ1和σ2为权重的参数阈值。优选地，通过WTA计算得到的相位级次图具体如下式：式中，为最终的匹配代价值。优选地，获得的绝对相位图为：Φ(x,y)＝φ(x,y)+2πk(x,y)式中，φ(x,y)为包裹相位。。本专利技术与传统技术相比，其显著优点为：本专利技术仅需要一组三步相移条纹图即可实现鲁棒、高精度的立体相位展开。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为一种基于相位信息导向的立体相位展开方法的流程图。具体实施方式如图1所示，一种基于相位信息导向的立体相位展开方法，首先利用双目相机采集一组三步相移条纹图，通过最小二乘法计算三步相移条纹图像获得包裹相位图。根据包裹相位图与双目相机和投影仪之间的标定参数构建关于候选级次的三维匹配代价空间，然后通过ZNCC计算包裹相位图获得初始匹配代价值，通过基于窗口的双边成本滤波方法获得最终的匹配代价值，通过WTA计算出相位级次图从而获得绝对相位图，从而实现立体相位展开。本专利技术仅需要一组三步相移条纹图即可实现鲁棒、高精度的立体相位展开，包括以下步骤：步骤1：通过双目相机采集一组三步相移条纹图；进一步地，双目相机采集的三步相移条纹图像分别为：I1(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相位信息导向的立体相位展开方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：通过双目相机采集一组三步相移条纹图；/n步骤2：通过最小二乘法计算三步相移条纹图像获得包裹相位图；/n步骤3：根据包裹相位图与双目相机和投影仪之间的标定参数构建关于候选级次的三维匹配代价空间；/n步骤4：通过ZNCC计算包裹相位图获得初始匹配代价值；/n步骤5：通过基于窗口的双边成本滤波方法获得最终的匹配代价值，通过WTA计算出相位级次图从而获得绝对相位图，实现立体相位展开。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于相位信息导向的立体相位展开方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过双目相机采集一组三步相移条纹图；
步骤2：通过最小二乘法计算三步相移条纹图像获得包裹相位图；
步骤3：根据包裹相位图与双目相机和投影仪之间的标定参数构建关于候选级次的三维匹配代价空间；
步骤4：通过ZNCC计算包裹相位图获得初始匹配代价值；
步骤5：通过基于窗口的双边成本滤波方法获得最终的匹配代价值，通过WTA计算出相位级次图从而获得绝对相位图，实现立体相位展开。


2.根据权利要求1所述的基于相位信息导向的立体相位展开方法，其特征在于，步骤1中采集的三步相移条纹图像分别为：
I1(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[Φ(x,y)]
I2(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[Φ(x,y)+2π/3]
I3(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[Φ(x,y)+4π/3]
其中，I1(x,y)，I2(x,y)，I3(x,y)为对应的三步相移条纹图像光强，(x,y)为相机平面的像素坐标，A(x,y)为背景光强，B(x,y)为条纹的调制度，Φ(x,y)为待求相位。


3.根据权利要求1所述的基于相位信息导向的立体相位展开方法，其特征在于，步骤2中通过最小二乘法获得的包裹相位具体为：



式中，I1(x,y)，I2(x,y)，I3(x,y)为三步相移条纹图像光强。


4.根据权利要求1所述的一种基于相位信息导向的立体相位展开方法，其特征在于，步骤3中根据包裹相位图与相机和投影仪之间的参数构建关于候选级次的三维匹配代价空间，具体步骤为：
根据从左相机处获得的包裹相位图φl(x,y)，构建三维的绝对相位空间Φl(n,x,y)，具体为：
Φl(n,x,y)＝φl(x,y)+2πn,n＝0,1,2,3,...,N-1
根据绝对相位得到投影仪平面上的水...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹维，左超，陈钱，冯世杰，孙佳嵩，胡岩，陶天阳，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32