一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法、系统技术方案

本发明专利技术属于光学三维数字成像技术领域，提供了一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法、系统。本发明专利技术结合经典的最小二乘相移解相位法和投影‑成像装置的gamma模型，推导一种相位测量轮廓术测量系统的通用相位误差分布模型，进而基于该相位误差分布模型提出一种高效、高精度、高鲁棒性的gamma非线性校正方法和系统。该方法和系统有利于进一步深入的理论推导和系统误差分析，适用于任何步数的相移法和相应的测量要求，满足高速、高精度、高普适性的基于相位测量轮廓术的三维数字成像和测量的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法、系统
本专利技术属于光学三维数字成像
，尤其涉及一种数字条纹投影式相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法、系统。
技术介绍
相位测量轮廓术是一种非接触式、全场测量的光学三维数字成像与测量方法。该方法采用投影装置投影一组正弦光栅或准正弦光栅到物体表面，采用成像装置采集经物体表面面形调制后的条纹图，结合相移技术计算每一测量点的空间相位值，之后利用相位-深度映射计算物体表面的深度信息。相位测量轮廓术由于其高成像密度、高成像速度、高测量精度和高测量普适性而得到广泛应用。随着数字投影和数字成像技术的快速发展，提出了具有可编程性的数字条纹投影式相位测量轮廓术。数字条纹投影式相位测量轮廓术是将所需的几帧有一定相移的正弦光栅利用计算机软件预先产生，然后按照相移顺序由数字化的投影装置依次投影到物体表面，实现相位和深度测量。与传统光栅投影相比，数字条纹投影的优点是利用计算机生成光栅条纹、采用数字化的投影装置作为透射光源，可以方便投射出任意形状、频率的光栅条纹，且能够实现准确的相移，消除相移误差。但由于数字化的投影-成像装置在投影-采集的信号获取过程中存在输入-输出之间的非线性强度响应的问题，例如将正弦输入信号响应为非正弦输出信号，从而引入相位测量误差，并最终影响三维重建的精度。该非线性强度响应一般性的称为gamma效应，并用gamma模型进行数学建模。为了减小gamma非线性引起的测量误差，现有技术提出了一些相位误差补偿或gamma校正的方法，较典型的有：1、基于实验统计数据建立特定步数相移法的相位误差补偿查找表；2、推导gamma模型的严格数学表达，并根据相位误差分析优化相位值；3、通过特定步数相移法建立相位误差模型，求解系统gamma系数用以抑制gamma效应等。但现有技术提出的相位测量轮廓术的相位误差补偿或gamma校正方法限定于特定步数相移法，并局限于特定的相位测量轮廓术测量系统，不具有普适性。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法，旨在解决现有的相位误差补偿或gamma校正方法限定于特定步数相移法，并局限于特定的相位测量轮廓术测量系统，不具有普适性的问题。本专利技术实施例提供一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法，所述方法包括以下步骤：获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图，并基于最小二乘相移解相位法，对获取的条纹图求解相位；将求解得到的相位与真实相位进行比较，得到相位误差分布，分析并拟合出所述相位误差分布的振幅；利用相位误差分布的振幅，计算相位测量轮廓术测量系统的gamma系数，以实现gamma非线性校正。本专利技术实施例的另一目的在于提供一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统，所述系统包括：解相位模块，用于获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图，并基于最小二乘相移解相位法，对获取的条纹图求解相位；相位误差分析模块，用于将所述解相位模块求解得到的相位与真实相位进行比较，得到相位误差分布，分析并拟合出该相位误差分布的振幅；校正模块，用于利用所述相位误差分析模块得到的相位误差分布的振幅，计算相位测量轮廓术测量系统的gamma系数，以实现gamma非线性校正。本专利技术实施例的另一目的在于提供一种相位测量轮廓术测量系统，所述系统包括投影装置、成像装置，还包括如上所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统。本专利技术结合经典的最小二乘相移解相位法和投影-成像装置的gamma模型，推导一种相位测量轮廓术测量系统的通用相位误差分布模型，进而基于该相位误差分布模型提出一种高效、高精度、高鲁棒性的gamma非线性校正方法和系统。该方法和系统有利于进一步深入的理论推导和系统误差分析，适用于任何步数的相移法和相应的测量要求，满足高速、高精度、高普适性的基于相位测量轮廓术的三维数字成像和测量的要求。附图说明图1是本专利技术提供的数字条纹投影式相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法的流程图；图2a是本专利技术的实验中三步相移的相位分布和二十步相移的相位分布；图2b是本专利技术的实验中与图2a中的相位分布分别对应的相位误差分布；图3a是本专利技术的实验中石膏模型在gamma非线性校正前基于三步相移法的相位测量轮廓术获得的三维数字图像；图3b是本专利技术的实验中石膏模型在gamma非线性校正后基于三步相移法的相位测量轮廓术获得的三维数字图像；图4是本专利技术提供的相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统的原理框图；图5是本专利技术提供的相位测量轮廓术测量系统的原理框图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术结合经典的最小二乘相移解相位法和投影-成像装置的gamma模型，推导一种相位测量轮廓术测量系统的通用相位误差分布模型，进而基于该相位误差分布模型提出一种gamma非线性校正方法和系统。图1示出了本专利技术提供的数字条纹投影式相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法的流程，包括以下步骤：S1：获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图，并基于最小二乘相移解相位法，对获取的条纹图求解相位。进一步地，本专利技术中，相位测量轮廓术测量系统的成像装置采集的条纹图的强度表示为：其中，AC是条纹背景强度，BC是条纹调制强度，φ是经待测表面调制的真实相位，该真实相位与待测表面深度信息存在映射关系。由于系统存在非线性强度响应，成像装置的输出信号由于gamma效应而引入高次谐波，因此，成像装置输出的条纹图，即步骤S1中实际获取的条纹图的强度表示为：其中，B0是直流分量，Bk是k阶谐波的强度，δn＝2π(n-1)/N是第n步的相移量，N是条纹投影图的相移步数，φn＝φ+δn是调制的相移相位，γ是相位测量轮廓术测量系统的gamma系数。进一步地，本专利技术中，基于最小二乘相移解相位法，对获取的条纹图求解相位的步骤可表示为：其中，φC是由于gamma效应引入相位误差的实际求解得到的相位分布值。S2：将求解得到的相位与真实相位进行比较，得到相位误差分布，分析并拟合出该相位误差分布的振幅。具体来说，真实相位φ的分布可通过大步数相移算法近似获取，则相位误差分布△φ可通过如下过程获取：又因为φn＝φ+2π(n-1)/N，可得到如下关系：将式(5)和式(6)代入式(4)，得到相位误差分布△φ的简化形式为：其中，Gs随着谐波阶次s的增大而显著减小，因此仅考虑N阶谐波已经足够充分，且GN+1项对相位误差的影响远小于GN-1项，则式(7)可进一步简化为：其中，式(8)即为步骤S2得到的通用的相位误差分布。进一步地，分析由式(8)得到的相位误差分布，相位误差呈周期性分布，与真实相位、相移步数和gamma系数相关，该相位误差分布的振幅A△φ为：A△φ＝arcsin(|GN-1|)(9)S3：利用相位误差分布的振幅，计算相位测量轮廓术测量系统的gamma系数，以实现gamma非线性校正。本专利技术中，结合和式(9)，即可得到gamma值γ。由于各坐标处计算的gamma值γ略有差别，步骤S3取各坐标处gamma值γ的平均值则即为步骤S3所求得的相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图，并基于最小二乘相移解相位法，对获取的条纹图求解相位；将求解得到的相位与真实相位进行比较，得到相位误差分布，分析并拟合出所述相位误差分布的振幅；利用相位误差分布的振幅，计算相位测量轮廓术测量系统的gamma系数，以实现gamma非线性校正；其中，所述相位误差分布表示为：

【技术特征摘要】
1.一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图，并基于最小二乘相移解相位法，对获取的条纹图求解相位；将求解得到的相位与真实相位进行比较，得到相位误差分布，分析并拟合出所述相位误差分布的振幅；利用相位误差分布的振幅，计算相位测量轮廓术测量系统的gamma系数，以实现gamma非线性校正；其中，所述相位误差分布表示为：其中，γ是相位测量轮廓术测量系统的gamma系数，φ是经待测表面调制的真实相位，N是条纹投影图的相移步数；其中，所述相位误差分布的振幅表示为：AΔφ＝arcsin(|GN-1|)其中，γ是相位测量轮廓术测量系统的gamma系数，N是条纹投影图的相移步数。2.如权利要求1所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法，其特征在于，所述获取的相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图的强度表示为：其中，AC是条纹背景强度，BC是条纹调制强度，φ是经待测表面调制的真实相位，B0是直流分量，Bk是k阶谐波的强度，δn＝2π(n-1)/N是第n步的相移量，N是条纹投影图的相移步数，φn＝φ+δn是调制的相移相位，γ是相位测量轮廓术测量系统的gamma系数。3.如权利要求1所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法，其特征在于，所述基于最小二乘相移解相位法，对获取的条纹图求解相位的步骤表示为：其中，φC是实际求解得到的相位分布值，Bk是k阶谐波的强度，δn＝2π(n-1)/N是第n步的相移量，N是条纹投影图的相移步数，φn＝φ+δn是调制的相移相位，φ是经待测表面调制的真实相位。4.如权利要求1所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法，其特征在于，在所述获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图的步骤之前，还包括以下步骤：计算机生成N步相移条纹投影图，并由相位测量轮廓术测量系统的投影装置投射到待测表面，经待测表面调制的条纹图由相位测量轮廓术测量系统的成像装置采集并输出；所述计算机生成N步相移条纹投影图的步骤表示为：其中，是条纹投影图的归一化强度值，AP是用户设计的条纹背景强度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭翔，蔡泽伟，刘晓利，何文奇，徐晨，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44