[发明专利]基于希尔伯特变换相位误差校正的三维测量方法和装置

说明书

本申请涉及一种基于希尔伯特变换相位误差校正的三维测量方法、装置、计算机设备和存储介质。该方法包括：采集被测物体的N步相移条纹图像；基于最小二乘法求解得到各N步相移条纹图像的空域折叠相位；根据所述空域折叠相位反求N步相移条纹信号；对所述N步相移条纹信号进行希尔伯特变换，计算希尔伯特域相位；基于所述希尔伯特域相位得到被测特征的三维数据信息。该方法是根据空域折叠相位反求的N步相移条纹信号进行希尔伯特变换并求取希尔伯特域相位，一方面消除了振幅调制信号对希尔伯特变换带来的影响；另一方面能降低系统非线性响应带来的相位误差。另外本文提出的条纹边界延拓算法能有效解决非整数周期条纹对希尔伯特变换带来的边界效应问题。

技术领域

本申请涉及光学三维数字成像技术领域，特别是涉及一种基于希尔伯特变换相位误差校正的三维测量方法、装置、计算机设备和存储介质。

背景技术

在三维重建系统中，常采用光学相位测量轮廓术来测量物体表面三维轮廓。光学相位测量轮廓术是一种基于光栅投影和相位测量的光学三维面形测量技术，可有效实现物体表面三维轮廓相位的自动测量。该方法采用结构光照明，将正弦光栅图像投影到被测物体表面，用与投影方向成一定角度的CCD摄像机采集经物体表面形貌调制的变形光栅图像，根据数字相移算法计算出相位分布，通过相位展开恢复出连续相位分布，由相位-高度关系最终求出物体轮廓的三维数据信息。

采用光学相位测量轮廓术，往往采用较少步数(如三步或四步相移)来扫描物体，可以节省扫描时间从而提高扫描效率。但由于受Gamma非线性响应的影响，投影仪投射出的结构光条纹出现Gamma失真现象，经过CCD相机采集的物体表面反射条纹，再采用N步相移算法计算出的相位误差较大，表面轮廓纹理精度较低，三维表面轮廓上有明显的波浪形状误差出现。

为降低三维重建系统中物体表面的相位误差，提高三维物体表面的纹理精度，目前相位补偿算法主要分为三类：被动式相位校正方法、主动式相位校正方法及自适应的相位校正方法。

被动式相位校正方法是利用实际采集的失真条纹图像计算折叠相位，并对折叠相位进行相位补偿的方法。主动式相位校正方法的核心是利用校正后的Gamma因子修正投影条纹图像，从而实现相位误差补偿。自适应的相位校正方法不需要事先对系统进行非线性校正，而是在扫描过程中根据实际条纹图像的非线性误差进行自适应补偿，最主要的方法是通过对条纹图像进行希尔伯特变换然后分别求取条纹图像的空域条纹图像相位和希尔伯特变换后的希尔伯特域相位，利用空域相位误差分布和希尔伯特域相位误差分布具有相同周期性，相同的振幅和半个周期的相位偏差的特性，将空域的相位和希尔伯特域的相位求均值以实现相位误差补偿。

被动式的相位校正方法对于测量环境比较敏感，而主动式相位校正方法则弥补了这一方面的缺陷。主动式相位校正方法的核心是利用校正后的Gamma因子修正投影条纹图像，从而实现相位误差补偿。然而主动式的方法仍需额外的非线性系统标定处理。自适应的相位校正方法不需要事先对系统进行非线性校正，而且会根据实际采集的条纹图像进行非线性补偿，是一种灵活、方便的相位非线性补偿方法。自适应的相位误差补偿算法目前主流的是基于希尔伯特变换进行误差补偿的，该方法在理论中得到了很好的证明，然而尚未考虑条纹信号的振幅调制和非整数周期对希尔伯特变换的影响。一方面，在物体表面反射率以及物体形貌等因素的调制下，条纹信号相当于振幅调制信号与余弦信号的乘积，这两个乘积信号有可能存在频率混叠，导致希尔伯特变换误差。另一方面，非整数周期的离散条纹信号由于频谱泄露在变换后的信号两端产生较大偏差。这些因素在希尔伯特变换域的相位求解过程中会引入明显的计算误差，并向内部逐步污染，从而限制了希尔伯特变换在非线性相位误差补偿方法中的实际应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够减少由于系统非线性引起的相位误差的自适应校正方法，以及解决由于频率混叠和边界效应导致希尔伯特变换发生严重误差的基于希尔伯特变换相位误差校正的三维测量方法、装置、计算机设备和存储介质。

一种基于希尔伯特变换相位误差校正的三维测量方法，所述方法包括：