[发明专利]基于GPU并行计算小波变换的光学条纹图相位提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构光投影三维面形测量，光学图像处理方法，尤其涉及一种用于结构光投影的三维面形测量的基于GPU(图形处理单元)并行计算小波变换的光学条纹图像相位提取方法。

背景技术

在面结构光投影三维面形测量技术中，CCD记录结构光被待测物体三维面形调制后的光学条纹图，对光学条纹图进行高精度相位提取，是实现实时三维面形测量的关键。光学条纹图的相位提取方法包括：常用的相移法(在先技术1：Shaoyan Gai,Feipeng Da.A novel phase shifting method based on strip marker[J].Opt.&Laser in Engng.2010.48(2):205-211)和傅立叶变换法(在先技术2：卢世江，李勇，王辉等，含孤立物体场景的高速、高密度三维面形采集[J].光电工程，2012,39(1):34-39)已经在动态物体的实时测量中得到了广泛的应用。小波变换光学条纹图相位提取方法(在先技术3：李思坤,苏显渝,陈文静.一种新的小波变换空间载频条纹相位重建方法[J].中国激光,2010,37(12):3060-3065)相对相移法而言，只需要一幅变形光学条纹图就能得到物体三维面形信息，且不需要精确的相移以及CCD同步，速度更快；相对傅立叶变换法而言，小波变换具备局部化、多分辨率分析能力和更强的噪声抑制能力。但是小波变换的计算涉及多个尺度因子下的行列循环和卷积运算，数据处理过程依循行列、多尺度的顺序逐次循环计算。多次循环计算过程中，每一列像素点相位的计算相互之间独立，各个尺度之间的计算也各不相关，体现出了很高的计算密度。计算速度无法满足实时、动态测量的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于结构光投影的三维面形测量的基于GPU并行计算小波变换的光学条纹图相位提取方法，该方法保持了原有小波变换光学条纹图相位提取方法的精度的同时，提高了数据处理速度。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于结构光投影的三维面形测量的基于GPU并行计算小波变换的光学条纹图相位提取方法，特征在于该方法使用CPU作为主机端和GPU作为设备端的计算平台对CCD获取光学条纹图进行处理，包括以下步骤：

1)在待测物体表面的斜上方设置投影仪，在待测物体表面的斜上方的同一水平面设置所述的投影仪和CCD相机，所述的CCD相机与CPU的输入端相连，该CPU与GPU相连，所述的CCD相机与待测物体所在的参考平面的距离为L₀，所述的投影系统与所述的CCD相机之间的距离为d，投影仪投影正弦结构条纹到被测物体表面，CCD获取光学条纹图，CPU读入CCD获取的光学条纹图，并根据光学条纹图分辨率以及小波变换中用到的尺度因子大小和数目n，生成各个尺度对应的小波矩阵，并将n个小波矩阵与图像传输至设备端GPU的内存；

2)所述的设备端GPU根据小波变换轮廓术逐个计算每个尺度因子下光学条纹图的小波变换系数矩阵，并将所有小波变换系数矩阵传回主机端CPU，计算过程如下：

光学条纹图中的结构光方向为图形的行方向，设为x方向，列方向设为y方向光学条纹图第y行的强度信息如公式(1)所示：

I'(x)_y＝I_1y+I_2ycos(2πfx+Δφ(x)_y) (1)

其中，I_1y为背景光强度，I_2y为条纹的调制度，f为投影条纹的基频，Δφ(x)_y为由待测物体高度信息引起的调制相位；

采用Morlet复小波对第y行强度信息进行连续小波变换：

其中，W(a,b)_y为第y行小波变换系数，为母波函数Ψ(x)的子波函数，a为尺度因子，b为平移因子，是ψ_a,b(x)的复共轭函数，为卷积核，表示傅立叶变换，表示傅立叶逆变换；

小波变换系数矩阵W(a,b)是光学条纹图每一行强度信息小波变换之后所求的

小波系数合集：式中M为光学条纹图的行数；

3)主机端CPU按下列式(3)从所述的n个小波系数矩阵W(a,b)求取小波脊矩阵，按式(4)从小波脊矩阵中求得包裹相位，解包裹之后得到连续的相位分布，再根据测量光路的几何参数按(5)式恢复待测物体形貌：

取小波变换系数矩阵第b列在所有尺度因子a方向模的极大值点，作为小波变换脊；