[发明专利]提高图像过曝区域相位测量精度的双四步相移法

说明书

本发明提供了一种提高图像过曝区域相位测量精度的双四步相移法，分两次通过四步相移法求得正弦条纹图像上像素点(x，y)的相位值和，第二次四步相移中每一步的初始相位比第一次四步相移的多π/4；根据两次四步相移求得的相位值计算最终的相位值，若第一次四步相移时过曝而第二次未过曝，则取；若第一次四步相移时未过曝而第二次过曝，则取；若两次均过曝或均未过曝，则取两个相位的平均值。本发明能够有效地提高图像过曝区域的相位测量精度，减少计算开销。

技术领域

本发明涉及一种基于图像的光学三维测量技术——相位测量轮廓术，特别涉及相位测量轮廓术中提高图像过曝区域相位测量精度的方法。

背景技术

基于图像的光学三维测量的核心是恢复图像上的高度信息，从而恢复物体的三维轮廓，在逆向工程、文物复制、工业自动检测、生物医学、人体检测等众多领域具有广泛的应用，相位测量轮廓术就是一种基于图像的光学三维测量技术。

在相位测量轮廓术中，对物体表面进行正弦光栅投影，采集投射到物体表面的正弦条纹图像。对每一个参考平面，通过四步相移正弦光栅投影，得到四幅初始相位不同的正弦条纹图像，根据这四幅正弦条纹图像灰度值的正弦变化规律计算得到正弦条纹的相位值；然后利用多个不同高度参考平面的正弦条纹相位值，计算得到相位高度映射关系式。同样，对被测物体表面也进行四步相移正弦光栅投影，得到被测物体表面正弦条纹的相位值，将该相位值代入相位高度映射关系式中，得到被测物体的高度值。计算相位高度映射关系式时，通常至少需要5个参考平面，一共20幅图像。在这种方法中正弦条纹相位值的测量精度直接影响高度的测量精度。在采集投射到物体表面的正弦条纹图像时，受被测物体表面材质的影响，以及工业相机采集图像时的非线性响应，在被测物体表面光滑而发生镜面反射的区域会出现图像过曝的现象。在图像过曝区域，图像灰度值不呈正弦规律变化，从而导致该区域测量的相位值不准确，最终降低了该区域高度的测量精度。

目前在相位测量轮廓术中用于解决图像过曝问题的方法主要是基于高动态的相位测量轮廓技术，该技术可归纳为以下三类：基于多曝光的方法、基于调整投影光强的方法和基于偏振滤光镜的方法。基于多曝光的方法通过拍摄一系列不同曝光条件下的正弦条纹图像，计算得到每种曝光下的相位值，然后为物体的每一个测量点选择最佳曝光下的测量值，最后再组合起来得到最终测量值。该方法能够提高图像过曝区域的相位测量精度，但是处理的图像数量过多，对于一组参考平面一次四步相移的测量至少需要20幅正弦条纹图像，计算开销大，非常耗时。基于调整投影光强的方法通过拍摄得到条纹图像过曝区域的位置信息，结合测量系统结构模型，调整与过曝区域相对应位置的正弦光栅投影光强，重复以上过程，最终使过曝现象消失。该方法同样能有效解决过曝的问题，提高精度，但由于需要进行迭代，也非常的耗时。基于偏振滤光镜的方法让投影透过线性偏振滤光片，通过调整偏振角度有效地减少镜面反射，降低过曝现象的发生，但是偏振角度难以精确控制，并且还增加了硬件系统的复杂性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双四步相移法。该方法能够有效地提高图像过曝区域的相位测量精度，并且与基于高动态的相位轮廓测量技术相比较，可以将正弦条纹图像个数从20幅降低为8幅，极大地减少了计算开销。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、进行第一次四步相移，得到初始相位分别为0、π/2、π、3π/2时的四幅正弦条纹图像，四幅正弦条纹图像在(x，y)处的灰度值分别如下：

求解第一次四步相移中像素点(x，y)处的相位值

步骤二、进行第二次四步相移，第二次四步相移中每一步的初始相位均比第一次四步相移的相位多π/4，采集的四幅正弦条纹图像的灰度值如下：