一种移位阶梯相位码与相移条纹非对称组合三维测量方法技术

一种移位阶梯相位码与相移条纹非对称组合三维测量方法属于结构光三维测量技术领域。该方法包括以下步骤：依据相移法生成余弦相移图案；设计生成移位阶梯相位码字；将码字嵌入相移条纹中生成移位阶梯相位码图案；投射余弦相移条纹和移位阶梯相位码条纹图案并同步采集它们的图像；利用相移法获取包裹相位和包裹移位阶梯相位；将包裹移位阶梯相位转换为其十进制包裹数字码；对包裹数字码进行解包裹得到连续数字码；对包裹相位进行解包裹得到绝对相位；根据三角法使用绝对相位计算被测表面三维坐标。相比于阶梯相位码与相移条纹组合方法，本发明专利技术方法的测量结果不会产生由跳变误差导致的粗大误差，能更可靠地得到绝对相位，可提供更准确的测量结果。供更准确的测量结果。供更准确的测量结果。

【技术实现步骤摘要】
一种移位阶梯相位码与相移条纹非对称组合三维测量方法


[0001]本专利技术一种移位阶梯相位码与相移条纹非对称组合三维测量方法属于结构光三维测量


技术介绍

[0002]光学非接触三维测量技术广泛应用于生产和生活中。其中，相移法是最为经典且应用最为广泛的一种方法，原理上其分辨力最高、采样密度最高、准确度最高。然而，相移法仅能求取包裹相位，其主值范围局限为[0,2π)。因此，包裹相位包含不连续的2π，必须进行解包裹才能获得连续的绝对相位。
[0003]但是，表面高度跃变和阴影等的影响导致条纹图像裂断或突变，结果使相位解包裹成为挑战性难题。而格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。它不存在展开误差传递问题，不受被测表面高度跃变的影响。因此，大多采用格雷码进行相位解包裹。目前，格雷码与相移法组合进行三维测量具有实用性和发展潜力。
[0004]然而，格雷码条纹图像其明暗边界在物理上存在过渡区，同时还受到被测表面、测量系统和环境噪声的影响，结果导致格雷码出错。那么，格雷码误差就引起接近2π的整数倍大小的绝对相位误差，在此称为跳变误差。跳变误差又导致不可接受的粗大测量误差，因此，消除跳变误差成为必须解决的问题。
[0005]显然，在相位解包裹中消除格雷码误差是最为有效的跳变误差消除途径。为此，采用相位代替强度来确定码字形成阶梯相位码，能有效提升抗干扰能力、有利于抑制跳变误差。因为相位对被测物体表面对比度、环境光以及相机噪声不敏感，在原理上具有抗干扰能力强的优势。国内外研究者在这方面采取措施取得了一定的效果，形成了阶梯相位码与相移条纹组合三维测量方法，但这类方法仍然存在跳变误差，其典型代表方法如下：
[0006]文献《Novel phase
‑
coding method for absolute phase retrieval》提出了一种一位阶梯相位码与相移条纹组合三维测量方法，采用相位代替强度来确定码字而有效地提升了抗干扰能力，但一旦阶梯相位码出现误差则仍然导致跳变误差出现，而且由其组成多位阶梯相位码时，阶梯相位码误差导致的跳变误差随位数增加而增加。
[0007]文献《Phase coding method for absolute phase retrieval with a large number of codewords》提出了一种多位阶梯相位码与相移条纹组合三维测量方法，不仅采用相位代替强度来确定码字提升了抗干扰能力，多位阶梯相位码在仅有其中一位出错的限定条件下其误差仅为
±
1，但这种方法毕竟存在阶梯相位码误差，而且对阶梯相位码误差敏感，存在阶梯相位码误差导致的跳变误差。

技术实现思路

[0008]为了消除阶梯相位码与相移条纹组合中的跳变误差，本专利技术公开了一种移位阶梯相位码与相移条纹非对称组合三维测量方法，与阶梯相位码与相移条纹组合三维测量方法相比，采用本专利技术方法的测量结果不会产生由跳变误差导致的粗大误差，能更可靠地得到
连续绝对相位，可提供更准确的测量结果。
[0009]本专利技术的目的是这样实现的：
[0010]一种移位阶梯相位码与相移条纹非对称组合三维测量方法，包括以下步骤：
[0011]步骤a、依据三步相移法，生成一组三幅余弦相移条纹图案：
[0012]I
01
(x,y)＝A0(x,y)+B0(x,y)cos(2πx/T0)
[0013]I
02
(x,y)＝A0(x,y)+B0(x,y)cos(2πx/T0+2π/3)
[0014]I
03
(x,y)＝A0(x,y)+B0(x,y)cos(2πx/T0+4π/3)
[0015]其中，(x,y)为图案像素点坐标，A
i
(x,y)为平均强度，B
i
(x,y)为调制强度，T0为余弦相移条纹周期；
[0016]步骤b、设计生成n位移位阶梯相位码的第i位阶梯相位码字
[0017][0018]其中，i＝1,2,
…
,n，floor()为向下取整函数，N
i
为第i位阶梯相位码中唯一码字的个数且、N
n
≥3，P
i
为第i位阶梯相位码字宽度且P1＝T0/2、P
i
＝P
i
‑1×
N
i
‑1/2，阶梯相位属于包裹相位、以2π为周期且在一个周期内以2π/N
i
为阶梯高度呈阶梯状递增；
[0019]步骤c、将移位阶梯相位码字嵌入三步相移条纹中，生成第i位的移位阶梯相位码条纹图案：
[0020][0021][0022][0023]步骤d、将余弦相移条纹图案I
01
、I
02
、I
03
和n位移位阶梯相位码条纹图案I
i1
、I
i2
、I
i3
由投影仪按时序依次投射到被测表面，再通过相机同步采集得到受被测表面形状调制的余弦相移条纹图像和n位移位阶梯相位码条纹图像
[0024]步骤e、采用三步相移法分别由余弦相移条纹图像和移位阶梯相位条纹图像获得包裹相位和包裹移位阶梯相位
[0025][0026][0027]其中，和被包裹在[0,2π)范围内；
[0028]步骤f、将转换为十进制包裹数字码C
i
：
[0029][0030]其中，round( )为四舍五入取整函数；
[0031]步骤g、对包裹数字码C
i
进行解包裹得到连续数字码
[0032][0033][0034][0035]其中，k
i
为移位阶梯相位码条纹I
i1
中C
i
所在周期的周期序号；
[0036]步骤h、对包裹相位进行解包裹得到连续的绝对相位Φ：
[0037][0038][0039]其中，k
m
为余弦相移条纹I
01
中包裹相位所在周期的周期序号；
[0040]步骤i、根据三角测量原理使用绝对相位Φ计算得到被测表面的三维坐标；
[0041]移位阶梯相位码与相移条纹非对称组合三维测量方法存在以下限定条件：包裹数字码仅在其码字边缘左右P1/4范围内出错；包裹数字码如果出错仅错为其最邻近的码字；余弦相移条纹包裹相位误差
[0042]有益效果：同阶梯相位码与相移条纹组合三维测量方法相比，采用本专利技术方法的测量结果不会产生由跳变误差导致的粗大误差，能更可靠地得到连续绝对相位，可提供更准确的测量结果。
附图说明
[0043]图1为实验一中被测平面。
[0044]图2为实验一中余弦相移条纹图像
[0045]图3为实验一中第4位移位阶梯相位码条纹图像
[0046]图4为实验一中第3位移位阶梯相位码条纹图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种移位阶梯相位码与相移条纹非对称组合三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a、依据三步相移法，生成一组三幅余弦相移条纹图案：I
01
(x,y)＝A0(x,y)+B0(x,y)cos(2πx/T0)I
02
(x,y)＝A0(x,y)+B0(x,y)cos(2πx/T0+2π/3)I
03
(x,y)＝A0(x,y)+B0(x,y)cos(2πx/T0+4π/3)其中，(x,y)为图案像素点坐标，A
i
(x,y)为平均强度，B
i
(x,y)为调制强度，T0为余弦相移条纹周期；步骤b、设计生成n位移位阶梯相位码的第i位阶梯相位码字位移位阶梯相位码的第i位阶梯相位码字其中，i＝1,2,
…
,n，floor()为向下取整函数，N
i
为第i位阶梯相位码中唯一码字的个数且、N
n
≥3，P
i
为第i位阶梯相位码字宽度且P1＝T0/2、P
i
＝P
i
‑1×
N
i
‑1/2，阶梯相位属于包裹相位、以2π为周期且在一个周期内以2π/N
i
为阶梯高度呈阶梯状递增；步骤c、将移位阶梯相位码字嵌入三步相移条纹中，生成第i位的移位阶梯相位码条纹图案：图案：图案：步骤d、将余弦相移条纹图案I

【专利技术属性】
技术研发人员：于双，郝天根，赵烟桥，吴海滨，孙晓明，杨文龙，于晓洋，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：