光栅投影成像系统的光栅相位提取方法技术方案

光栅投影成像系统的光栅相位提取方法，解决了现有如何克服光栅相位非线性误差及强度噪声的问题，属于数字光栅投影三维测量技术领域。本发明专利技术包括：步骤一、将采集到的N幅指数光栅图像通过邻域扩展组成矩阵X；步骤二、根据矩阵X构造协方差矩阵C：且对协方差矩阵C对角化，获取对角矩阵D为：D＝ACA

【技术实现步骤摘要】
光栅投影成像系统的光栅相位提取方法


[0001]本专利技术涉及一种邻域扩展PCA法重构指数光栅相位的误差消除方法，属于数字光栅投影三维测量


技术介绍

[0002]在数字光栅投影三维测量系统中，高质量的光栅图像是获得高精度测量结果的前提，影响光栅图像的质量有很多误差来源，例如相机和投影仪的非线性误差、采集光栅图像时的强度噪声、镜头的离焦误差、运动导致的误差等，如何克服并减少这些误差是提升系统精度的关键问题。其中，在各种主要误差源中，采集图像时的强度噪声与相机和投影仪的非线性误差是其中最主要的误差源。
[0003]在实际的测量系统中，相机和投影仪的非线性效应会导致相位的重构误差。大多数工业相机都有很好的线性度，因此可以忽略，如果使用商用的数字投影仪，这个误差源通常指的是投影仪的非线性伽马效应。投影机非线性伽玛效应是对投影机输入的灰度值的非线性响应，它被有意地纳入了现成的数字投影仪中，作为人类视觉对强度非线性敏感性的一种视觉增强。投影仪输入与采集到的图像强度的非线性映射会导致光栅图像的失真，从而导致重构得到的相位产生较大的误差。光栅图像在被测物体各点的强度由相机采集，不可避免地会受到强度噪声的影响。强度噪声源包括环境光、投影仪的照明噪声、相机和投影仪的闪烁、相机的噪声，投影仪及相机的量化误差等。当采集到的光栅图像受到强度噪声干扰时，标准相移公式重构的相位会偏离理想值，导致相位重构误差。
[0004]商用投影仪等投影设备用于投影显示时，其性能参数设计主要是遵从用户的视觉效果考虑。由于人类视觉的非线性感知特性，显示设备往往需要在图像重构时，对原始图像的灰度值进行非线性变换，并且该变换前后的图像的灰度值一般呈幂指数函数的对应关系，这就是投影仪的非线性伽马效应。
[0005]因此，在使用商用投影仪的情况下，光栅投影成像系统的光栅采集处理模型可以用如图1所示；数字投影仪的非线性效应导致的相位测量误差，严重影响了三维测量精度，从而产生了各种各样的相位误差补偿方法，主要可以归纳为：被动相位误差补偿法、主动相位误差补偿法、反向补偿法、离焦投影方法等。这些相位误差补偿方法通常比较复杂，需要大量的计算资源或额外的辅助形式来实现。

技术实现思路

[0006]针对现有如何克服光栅相位非线性误差及强度噪声的问题，本专利技术提供一种光栅投影成像系统的光栅相位提取方法。
[0007]本专利技术的一种光栅投影成像系统的光栅相位提取方法所述方法包括：
[0008]步骤一、将采集到的N幅指数光栅图像组成矩阵X；
[0009]步骤二、根据矩阵X构造协方差矩阵C：
[0010][0011]且对协方差矩阵C对角化，获取对角矩阵D为：
[0012]D＝ACA
T
[0013]其中，是为指数光栅图像去除背景项后，A为正交变换矩阵，D为N行H
×
W列，[]T
表示转置；
[0014]步骤三、获取主成分矩阵：
[0015][0016]获取P中前两个最大特征值的主成分分别为I
c
和I
s
，根据I
c
和I
s
获取指数光栅相位为：
[0017][0018]其中，(i,j)为相机像素坐标。
[0019]作为优选，所述步骤一包括：
[0020]将N幅指数光栅图像的每个像素连接起来，组成一维列向量将处理后向量串联起来，N维数据矩阵组成矩阵X：
[0021]X＝[I
1,i,j
,I
2,i,j
,
…
,I
N,i,j
]T
其中I
n,i,j
表示第n幅指数光栅图像中像素位置i,j处的光强,n＝1,2
…
,N；
[0022]选择以坐标i,j为中心的邻域M范围，将邻域M范围信息以列向量形式加入到数据矩阵中，数据矩阵变为：
[0023]矩阵X为MN维矩阵。
[0024]作为优选，M为5时，
[0025][0026]作为优选，M为9时，
[0027][0028]本专利技术的有益效果：(1)、本专利技术不需要借助额外的构建相位补偿模型、标定伽马值、拟合响应曲线等辅助条件，简单、有效地克服了非线性相位误差；(2)、本发具有普遍性，它不仅适用于三步或四步相移算法，在原则上也适用于四步以上得相移算法；(3)、对数据矩阵的空间信息扩展方法简单，同样具有普遍性，可以应用于其他基于PCA方法中。
[0029]仿真模拟和实验的结果表明，该方法基本消除非线性误差，在有噪声的情况下，效果明显好于相移法和原始PCA法，提高了相位提取精度。虽然时间有所增加，但并不影响整体效率，在可以接受范围之内。
附图说明
[0030]图1为本专利技术光栅投影的光栅采集处理原理示意图；
[0031]图2为计算机生成的各种光栅图，(a)为正弦光栅，(b)为指数光栅，(c)为非线性正弦光栅，(d)为非线性指数光栅；
[0032]图3为各种光栅横截面图，横坐标为像素值，纵坐标为强度值；
[0033]图4为邻域选择示意图，(a)为5邻域，(b)为9邻域；
[0034]图5为光栅包裹相位及截面图，(a)为传统正弦光栅的包裹相位及截面图，(b)为指数光栅相移法的包裹相位及截面图，(c)为指数光栅PCA法的包裹相位及截面图；横坐标为像素值，纵坐标为相位值
[0035]图6为传统正弦光栅解得绝对相位图；x，y坐标为像素值，z坐标为绝对相位值；
[0036]图7为指数光栅解得绝对相位图；x，y坐标为像素值，z坐标为绝对相位值；
[0037]图8为两种光栅方式绝对相位横截面对比图；横坐标为像素值，纵坐标为绝对相位值；图9为两种光栅方式相位误差对比图；横坐标为像素值，纵坐标为相位误差值；
[0038]图10为不同σ时的指数光栅图，(a)为σ＝0.07，(b)为σ＝0.1；(c)为σ＝0.07，(d)为σ＝0.1；
[0039]图11为σ＝0.1时各方法求得的相位误差图，(a)为相移法求得相位误差图，(b)为PCA法求得相位误差图，(c)为PCA
‑
5法求得相位误差图，(d)为PCA
‑
9法求得相位误差图；x,y坐标为像素值，z坐标为相位误差值；
[0040]图12为采集到的传统光栅；
[0041]图13为采集到的指数光栅。
具体实施方式
[0042]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0043]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]下面结合附图和具体实施例对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.光栅投影成像系统的光栅相位提取方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一、将采集到的N幅指数光栅图像组成矩阵X；步骤二、根据矩阵X构造协方差矩阵C：且对协方差矩阵C对角化，获取对角矩阵D为：D=ACA
T
其中，是为指数光栅图像去除背景项后，A为正交变换矩阵，D为N行H
×
W列，[]
T
表示转置；步骤三、获取主成分矩阵：获取P中前两个最大特征值的主成分分别为I
c
和I
s
，根据I
c
和I
s
获取指数光栅相位为：其中，(i，j)为相机像素坐标。2.根据权利要求1所述的光栅投影成像系统的光栅相位提取方法，其特征在于，所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建柏，周国辉，许智梁，赵妍，陈佳昕，
申请(专利权)人：哈尔滨师范大学，
类型：发明
国别省市：