[发明专利]一种基于多频相移方案的发光表面微观三维测量方法

说明书

本发明公开了一种基于多频相移技术的发光目标微观三维测量方法。本发明在没有饱和的情况下，使用标准相移算法来计算相位值；在饱和区域，使用广义相移算法来计算包裹相位；对于非饱和强度小于3的过饱和区域，利用低频条纹图像中可能提取的相位来填充最终相位图，以提高测量的完整性。经过相位展开和立体匹配后的双视远心测量系统，实现高精度的发光表面的三维重建。本发明从不受光强饱和影响的相移条纹图像的子集计算突出显示区域的相位，提出了一种多频相移方案来提高发光表面最终相位图的完整性，并在此基础上结合显微远心立体视觉系统，实现了完整、高精度的三维重建。

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于多频相移方案的发光表面微观三维测量方法。

背景技术

结构光和三角测量原理在三维光学计量领域得到了广泛的应用。周期性的正弦条纹图案被投射到被检物体上，被检物体的调制使条纹发生畸变。为了定量地计算调制量并重建目标的三维结果，需要精确地检索在条纹图中编码的相位值。目前，两种常用的相位恢复算法是基于傅里叶变换的算法和基于相移的算法。基于傅里叶变换的动态测量算法是动态测量中常用的算法，而基于相移的动态测量算法由于其像素独立的数学运算特性，更适合于高精度测量。最近的工作表明，采用基于相位的立体匹配方法，可以忽略数字投影仪的本质非线性响应函数，因为不同视图中的相位误差是自动消除的。然而，基于相位的立体匹配方法在处理有光泽表面的物体时容易失败。重建模型的整体性受高光区域的影响，因为无法用密集的条纹图像计算这些区域的相位。

有光泽的表面具有很强的反射性，因此由于数码相机的动态范围有限，光线强度不能线性变换。针对这种情况，最先进的技术之一被称为高动态范围三维形状测量，可分为两类：基于设备的技术和基于算法的技术。对于这组基于设备的技术，设备的最佳参数，例如相机的曝光时间或投影仪的曝光时间是被需要的，以帮助在光亮和黑暗区域形成可见条纹。其他基于光学的方法，例如使用偏振器扫描发光物体，也已被研究，在此基础上可以有效地抑制偏振光强度。此外，也有通过修改相机曝光量的混合方法，但也考虑了引入额外设备、改变观看位置或调整投影仪参数以捕获高速动态范围图像的策略。基于最大强度调制，提出了一种采用高速投影仪的快速高速动态范围解决方案，在700Hz下对光强变化的条纹图像进行投影。

然而，对于有光泽的表面，有时仅仅通过减少曝光时间或投影光的强度，可能不容易解决饱和问题。因此，研究人员还开发了基于算法的技术，主要依靠精心设计的算法，在相机或投影仪曝光时间不允许自由变化或没有附加设备的情况下，从原始条纹图像中提取相位值。

然而，在显微成像中，由于显微投影系统的景深较短，被黑色条纹照亮的发光部分不再是纯黑色的，而是会受到白色条纹的影响。在这种情况下，当使用更高频率的条纹时，会有更多的饱和区域。

发明内容

本发明提出了一种基于多频相移方案的发光表面微观三维测量方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于多频相移方案的发光表面微观三维测量方法，其步骤如下：

步骤一．在发光表面未饱和区域，使用标准相移算法来计算相位值，在发光表面饱和区域，使用广义相移算法来计算包裹相位；

步骤二．对于非饱和强度小于3的过饱和区域，利用低频条纹图像中可能提取的相位来填充最终相位图，以提高测量的完整性；

步骤三．经过相位展开和立体匹配后的双视远心测量系统，实现高精度的发光表面的三维重建。

优选的，在步骤一中，基于可控相移量，记录到的相移条纹图表示为式（1），

（1），

其中是摄像机的像素坐标，是平均强度，是条纹对比度，是要测量的相位分布，是移位的参考相位，n=1,…,N；

包裹相位对应测量的相位分布, 表示为式（2），