基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法，包括如下步骤：S1.获取任意标定面，且已知其相对参考面的高度值；S2.基于频率引导一维S变换法，确定所述标定面不同投影焦距位置处的调制度分布；S3.在所述标定面光场上的任意一行位置处，基于频率引导一维S变换法，计算其调制度分布曲线，确定最大调制度值

【技术实现步骤摘要】
基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及结构光投影三维面形测量
，尤其是涉及基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法及系统。

技术介绍

[0002]随着三维测量技术的迅猛发展，光学微观三维面形垂直测量方法在精密仪器、材料科学以及医学等领域获得了广泛的关注。该技术具有无损、容量大、非接触、精度高等优点，可完成表面高度分布变化剧烈复杂物体的测量，例如凹槽、台阶以及深孔等。
[0003]常见的光学微观三维垂直测量轮廓术包括共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)、干涉测量技术以及结构光法等。CLSM是一种高分辨率的显微成像技术，该技术利用激光逐点扫描，根据不同调焦深度获得被测物体不同深度层次的图像重建被测物体的三维全貌；干涉测量技术主要包括单波长干涉术(SWI)、双波长干涉术(DWI)以及白光干涉(WLI)。然而，SWI存在相位模糊的问题，DWI虽在一定程度扩大了测量范围，但扩大的量程仍然有限，WLI对外界环境要求较高，同时还要求被测物体具有较高的反射率。
[0004]基于结构光照明MMP不需要进行相位展开，即可重建被测物体的三维面形。该技术避免三角测量法中的阴影问题以及相位展开不连续的现象。采用单帧条纹分析技术提交调制度分布的方法包括傅里叶变换、小波变换以及S变换法。傅里叶变换属于全局处理技术，当背景光场分布不均或者物体表面较为复杂时，基频和零频将出现混叠的现象，利用傅里叶变换法将无法准确提取基频信息，进而导致被测物体出现较大的错误；小波变换可完成时频分析，但与傅里叶变换没有直接的联系；S变换结合了傅里叶变换和小波变换的优点，既能进行时频分析，又与傅里叶变换有着紧密的联系。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法及系统，以克服基于传统的标准一维S变换调制度测量轮廓术抗噪弱和细节信息提取不够准确的缺陷。
[0006]本专利技术实施例一方面提供了基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法，包括如下步骤：
[0007]S1.获取任意标定面，且已知其相对参考面的高度值；
[0008]S2.基于频率引导一维S变换法，确定所述标定面不同投影焦距位置处的调制度分布；
[0009]S3.在所述标定面光场上的任意一行位置处，基于频率引导一维S变换法，计算其调制度分布曲线，确定最大调制度值
‑
高度的映射关系；
[0010]S4.基于所述最大调制度值
‑
高度的映射关系，确定被测物体三维面形每个像素点深度信息。
[0011]在一些实施例中，S2中，在计算条纹图调制度信息时，对于每个投影设备焦距位置采集的条纹图，基于频率引导一维S变换法，确定其调制度分布。
[0012]在一些实施例中，当投影仪分别用不同焦距扫描时，由成像设备获得在不同离焦面上的光场分布表示为式1：
[0013][0014]其中，I(x，y；σ
H
)表示点扩散函数标准偏差σ
H
处像平面上的光场分布，H表示成像面与焦平面的距离，x和y分别表示两个正交轴方向上像素点的坐标位置。R(x，y)为被测物体表面的反射率，B(x，y)则为环境光强，M为系统放大倍数，C(x，y)表示条纹对比度。exp表示指数函数，f0表示条纹载频，Φ(x，y)为条纹初始相位。
[0015]在一些实施例中，基于频率引导一维S变换法，将由成像设备获得离焦面上的光场进行逐行处理，对于式1任意一行表示为式2：
[0016][0017]其中，I(x；σ
H
)表示像平面上某行的光场分布，R(x)为该行被测物体表面的反射率，B(x)则为该行环境光强，M为系统放大倍数，C(x)表示该行条纹对比度。exp表示指数函数，f
0u
表示x方向的条纹载频，Φ(x)为该行条纹初始相位。
[0018]在一些实施例中，根据余弦函数和复指数函数之间的转换关系cos(x)＝exp(ix)/2+exp(
‑
ix)/2，离焦面上的光场任意一行简化为式3：
[0019]I(x；σ
H
)＝I0(x；σ
H
)+I1(x；σ
H
)+I2(x；σ
H
)
[0020][0021][0022][0023]I0(x；σ
H
)、I1(x；σ
H
)和I2(x；σ
H
)分别表示将I(x；σ
H
)拆分后的三项求和因子，exp{i[2πf
0u
x+Φ(x)]}和exp{
‑
i[2πf
0u
x+Φ(x)]}表示将条纹表达式中余弦函数转换后的两个指数函数。
[0024]在一些实施例中，当窗口中心滑至式3的任意一行位置u处时，考虑到和缓慢变化，在支撑集上可认为式4：
[0025][0026][0027]R(u)表示在该行位置u处的物体表面反射率，B(u)表示在该行位置u处的环境光强，C(u)表示在该行位置u处条纹的对比度。将相位Φ(x)的泰勒级数的一级近似为式5：
[0028]Φ(x)≈Φ(u)+Φ
′
x
(u)(x
‑
u).
[0029]Φ
′
x
(u)表示对相位Φ(x，y)中x变量进行一阶求导后在位置u处的取值。
[0030]将式4和式5代入式3，可得式6：
[0031]I(x；σ
H
)≈I0(x；σ
H
)+I1(x；σ
H
)+I2(x；σ
H
)
[0032][0033][0034][0035]I0(x；σ
H
)、I1(x；σ
H
)和I2(x；σ
H
)分别表示将I(x；σ
H
)拆分后的三项求和因子，exp{i[2πf
0u
x+Φ(u)+Φ
x
(u)(x
‑
u)]}表示将exp{i[2πf
0u
x+Φ(x)]}在位置u处的近似表达式，exp{
‑
i[2πf
0u
x+Φ(u)+Φ
x
(u)(x
‑
u)]}表示将exp{
‑
i[2πf
0u
x+Φ(x)]}在位置u处的近似表达式。
[0036]在一些实施例中，频率引导一维S变换法的数学表达式为式7：
[0037][0038]其中，S(u，f
u
)表示在该行信号局部位置u处的二维矩阵，h(x)表示待测一维信号，为一维尺寸可伸缩修正后的滑动高斯窗，u表示空间变量，决定了高斯窗口的中心坐标；
[0039]窗口的标准偏差σ
u
为式8：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.获取任意标定面，且已知其相对参考面的高度值；S2.基于频率引导一维S变换法，确定所述标定面不同投影焦距位置处的调制度分布；S3.在所述标定面光场上的任意一行位置处，基于频率引导一维S变换法，计算其调制度分布曲线，确定最大调制度值
‑
高度的映射关系；S4.基于所述最大调制度值
‑
高度的映射关系，确定被测物体三维面形每个像素点深度信息。2.根据权利要求1所述的基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法，其特征在于，S2中，在计算条纹图调制度信息时，对于每个投影设备焦距位置采集的条纹图，基于频率引导一维S变换法，确定其调制度分布。3.根据权利要求2所述的基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法，其特征在于，当投影仪分别用不同焦距扫描时，由成像设备获得在不同离焦面上的光场分布表示为式1：其中，I(x，y；σ
H
)表示点扩散函数标准偏差σ
H
处像平面上的光场分布，H表示成像面与焦平面的距离，x和y分别表示两个正交轴方向上像素点的坐标位置；R(x，y)为被测物体表面的反射率，B(x，y)则为环境光强，M为系统放大倍数，C(x，y)表示条纹对比度，exp表示指数函数，f0表示条纹载频，Φ(x，y)为条纹初始相位。4.根据权利要求3所述的基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法，其特征在于，基于频率引导一维S变换法，将由成像设备获得离焦面上的光场进行逐行处理，对于式1任意一行表示为式2：其中，I(x；σ
H
)表示像平面上某行的光场分布，R(x)为该行被测物体表面的反射率，B(x)则为该行环境光强，M为系统放大倍数，C(x)表示该行条纹对比度；exp表示指数函数，f0表示条纹载频，Φ(x)为该行条纹初始相位。5.根据权利要求4所述的基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法，其特征在于，根据余弦函数和复指数函数之间的转换关系cos(x)＝exp(ix)/2+exp(
‑
ix)/2，离焦面上的光场任意一行简化为式3：I(x；σ
H
)＝I0(x；σ
H
)+I1(x；σ
H
)+I2(x；σ
H
)))I0(x；σ
H
)、I1(x；σ
H
)和I2(x；σ
H
)分别表示将I(x；σ
H
)拆分后的三项求和因子，exp{i[2π
f
0u
x+Φ(x)]}和exp{
‑
i[2πf
0u
x+Φ(x)]}表示将条纹表达式中余弦函数转换后的两个指数函数。6.根据权利要求5所述的基于频率引导一维S变换的三维面形垂直测量方法，其特征在于，当窗口中心滑至式3的任意一行位置u处时，考虑到和缓慢变化，在支撑集上可认为式4：在支撑集上可认为式4：R(u)表示在该行位置u处的物体表面反射率，B(u)表示在该行位置u处的环境光强，C(u)表示在该行位置u处条纹的对比度；将相位Φ(x)的泰勒级数的一级近似为式5：Φ(x)≈Φ(u)+Φ
′
x
(u)(x
‑
u)；Φ
′
x
(u)表示对相位Φ(x，y)中x变量进行一阶求导后在位置u处的取值；将式4和式5代入式3，可得式6：I(x；σ
H
)≈I0(x；σ
H
)+I1(x；σ
H
)+I2(x；σ
H
)))I0(x；σ
H
)、I1(x；σ
H
)和I2(x；σ
H
)分别表示将I(x；σ
H
)拆分后的三项求和因子，exp{i[2πf
0u
x+Φ(u)+Φ
x
(u)(x
‑
u)]}表示将exp{i[2πf
0u
x+Φ(x)]}在位置u处的近似表达式，exp{
‑
i[2πf
0u
x+Φ(u)+Φ
x
(u)(x
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟敏，胡峥岩，甘耀玮，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：