[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

摘要

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。所述方法使用以CPU作为主机端、GPU作为设备端的计算平台，主要包括以下计算步骤CPU主机端接收光学条纹图像，根据图形尺寸生成所需小波变换的小波矩阵，并传输至GPU设备端；GPU设备端接收图形和小波矩阵，计算小波变换系数矩阵，并传回CPU主机端；CPU主机端接收小波变换矩阵，求解小波脊的包裹相位，解包裹后获取光学条纹图的连续相位。本方法在提高了数据处理速度的同时，保持了小波变换光学条纹图相位提取方法的精度。

主权项

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，所述的投影仪与所述的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；尺度因子a对小波母函数进行了伸缩变换，小波函数长度随着尺度因子的取值不同而产生变化；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；若尺度因子为a时的小波函数长度为La，光学条纹图的尺寸为M pixel×N pixel，其中M为y方向的光学条纹图尺寸，N为x方向光学条纹图尺寸，小波函数先在结构方向通过左右对称地赋0值扩展为长度为La+N‑1数组，然后在y方向复制成大小为M×(La+N‑1)的小波矩阵；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：光学条纹图第y行的强度信息如公式(1)所示：I'(x)y＝I1y+I2ycos(2πfx+Δφ(x)y)   (1)其中，I1y为背景光强度，I2y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ψa,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；根据公式(2)小波系数的求解过程，包含了两次傅里叶变换加一次逆傅里叶变换运算，其中对于小波矩阵的傅里叶变换过程与测得的光学条纹图强度数据无关，在读取光学条纹图前在主机端CPU执行，将小波矩阵做傅里叶变换之后的作为输入传至设备端GPU，以减少设备端GPU运算量，减少解调过程中的运算时间；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个小波变换系数矩阵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；ridge(b)y＝max[|W(a,b)y|]   (3)各元素的幅角即为所需包裹相位：φ(ridge(b)y)=arctan{Im[ridge(b)y]Re[ridge(b)y]}---(4)]]>在远心光路条件下，L0＞＞h(x,y)，被测物体高度分布与调制相位的关系为：h(x,y)=-L02πfdΔφ(x,y)---(5).]]>