三维扫描系统中基于错位条纹的相位展开方法主要涉及到逆向工程中，用三维扫描系统根据错位条纹进行相位展开的方法，根据需要设计带９０°相移的４幅光栅相移图并由设计错位条纹的编码要求设计错位条纹光栅，将其分别投影至被测物体上，然后由ＣＣＤ摄回至计算机。根据４幅相移图，利用相移法，得到相位值在－π～π范围内的折叠相位图；将错位条纹图像分别和４幅相移图像作差，得到４幅条纹差图，通过差图中的０条纹信息确定错位条纹光栅图中各个位置上的条纹特征，再结合错位条纹的编码信息，来确定摄像机获取的错位条纹中的每个单周期条纹的阶次，从而指导折叠相位的展开。整个计算过程不依赖于路径，具有良好的实时性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及到逆向工程中，用三维扫描系统根据四步相移条纹和错位条 纹求解相位的方法。属于三维信息重构的
技术介绍
逆向工程(Reverse Engineering, RE)技术是20世纪80年代后期出现在先进制 造领域里的新技术，其一般包括四个基本环节:二维形体检测与转换(物理数据的 获得)、数据预处理(点云处理、识别、多视拼接)，CAD模型的建立(曲面重构)、 CAM制件成型。大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上，即产 品实物的CAD模型重构和最终产品的制造方面，称为"实物逆向工程"。三维轮廓检测及其重构技术是计算机图像处理技术的一个分支，是计算机视 觉和计算机图形图像处理相结合的一个研究方向，它在生产自动化、机器人视觉、CAD、虚拟现实和医学映像诊断等领域都有着广泛的应用前景。光栅投影法是三维检测术中的一种，具有测量过程完全非接触、数据空间分 辨率高、 一次性瞬间投影直接实现三维空间物体形状检测和获取三维信息的特点。 在实际应用中具有对环境要求低、成本低廉、使用操作方便等多种优点。基于光栅投影的三维测量就是将光栅图样投影到被测物表面,由摄像机获取变 形的光栅像,并由形变量与高度的关系来确定出轮廓相对参考平面的高度信息。当 光栅投影到物体表面上时，周期性光栅的相位就受到物体表面高度轮廓的调制， 形成变形光栅，变形光栅中带有物体的三维信息。准确得到受到物体高度调制后 的相位信息，并进行相位展开，获取物体形变量，对于最终获取物体的三维信息 起着关键的作用。在光栅条纹图中，通过给待求相位场加上已知或未知的常相位，来得到新的 条纹图，即增加求解条件。这种通过对条纹图相位场进行移相来增加若干常量相 位而得到多幅条纹图用以求解相位场的方法，称为相移法。相移法可提供比其他 方法更高精度的结果，更重要的是，它没有相位符号二义性问题。这是因为多幅 相移图比单幅图提供了更多的信息。通过上述方法得到的相位值在-"~"范围 内，是折叠的(wrapped)，为了得到全场唯一的相位值，在从相位分布中导出被测 参数之前必须对所有的象素识别出未知的2;r倍数跃变，从而得到复原的相位解 码。这一过程称为相位展开(phase unwrapping)或相位复原。采用传统的解相方法时，由于象素间的不独立性，在物理间断区和噪声点处 易出现"拉线"现象，局部误差将影响到全局；专利文献《三维扫描系统中基于 格雷码的相位展开方法》根据空间二进制编码的要求设计7幅逐步二分的投影光 栅图，利用格雷编码的方法确定相位所在的周期，由此进行相位展开。此方法进 行相位展开方法相对简单，可以很好的区分出物理间断处和噪声，不依赖于路径， 不存在误差传播，能够得到准确的周期。但是，这个方法需要设计7幅逐步二分 的投影光栅图，大大增加了系统测量的时间成本，测量实时性较差。
技术实现思路
技术问题针对现有技术所存在的缺点和限制，本专利技术的目的在于提供一种 三维扫描系统中准确度高、实时性较好的相位展开方法。本方法首先由四步相移 法得到精确的折叠相位，在此基础上再利用一幅错位条纹对相位展开，计算过程 不依赖于路径，不存在误差传播，能很好的区分出物理间断处和噪声，能够得到 准确的周期，且具有良好的实时性。技术方案设计带卯。相移的4个等长度的单周期条纹，记为构成条纹图像的 基本元素；分别以每个基本元素为单位对应生成4幅相移条纹图像；同时以4个 单周期条纹为单位进行编码，生成错位条纹图像；将生成条纹图像投影至被测物 体上，并用CCD摄像机拍摄图像，取回计算机进行分析。根据4幅相移图，利用 相移法得到相位值在-;r ~ ;r范围内的折叠(wrapped)相位图；两幅条纹在某个周期 长度的位置上的基本元素相同，在同一条件下获取两幅条纹的图像，并在相同位 置上灰度相减得到条纹差图；理论上，在基本元素相同的位置上，差图中的条纹 灰度值为0，称之为0值条纹；将错位条纹图像分别和4幅相移图像作差，得到4 幅条纹差图；通过对差图进行阈值分割、滤波和边界精确定位处理，得到精确的0 值条纹信息；4幅差图中的0值条纹位置分别对应带有9(T的相移的4种单位条纹 在错位条纹图像中的位置分布；这样，可以利用条纹差图中的O值条纹信息确定 错位条纹图像中各个位置上的条纹特征，然后结合错位条纹的编码信息，确定摄 像机获取的错位条纹中的每个条纹的阶次，以此指导折叠相位图展开，得到全场 唯一的相位值。本专利技术基于错位条纹的相位展开方法，步骤如下步骤l:设计4幅带有90°相移的条纹图和1幅错位条纹步骤1.1:设计4幅相移图，令4幅图的相移各为0,0.5"，;r,1.5;r;各图表示为A (X力=cos(2;r /2 (jc， _y) = cos(2;r + 0.5;r)/3 (x，力=cos(2;r々+ ;r)/4(x，_y) = cos(2;r75: + 1.5;r)其中/为条纹频率，/ = i/:r， r为周期条纹，单位为像素。相移条纹图像在行方向上是正弦变化的条纹，4幅相移图中，条纹的周期同为r，每个周期条纹的初始相位不同，分别为0，0.5;r,;r,1.5;r。步骤1.2:设计错位条纹图将初始相位分别为0,0.5;r,;r,1.5;r，周期为r的四 个单周期条纹进行编码组合，生成错位条纹。错位条纹要求(l)每相邻的两个单 周期条纹初始相位不同；(2)以相邻的三个单周期条纹为一组，任意两组不会出现 重复；(3)使复合条件(1)、 (2)的条纹长度最大。为方便表示，将初始相位分别为0，0.5;r,;r,1.5;r、周期为T的四个单周期条纹 分别表示为"》,c,d;错位条纹为/。。错位条纹编码步骤如下-步骤1.2丄根据排列组合原理和错位条纹的要求，列出所有相邻3周期条纹 A， 1《/《36,所有s,集合为"s = (a6a， a6c， aM， aca， acZ ， crcd， "cfcr， a必，adc, 6减6ac, 6at/， Z c", 6c6X 6必，6cfc， c减c6a, c6c, c6d， cda, c必,t/减tfac, i/flc/,必c, t/M, c/cfl, tfc6, dct/}其中，&="&表示条纹长度为三个周期，第一个周期位置处的条纹为"，第二个 周期位置处的条纹为"第三个周期位置处的条纹为a;建立空序列J。； 步骤1.2.2:从S中选择S,作为起始序列，列入/。，并将S,从S中删除； 步骤1.2.3:取^的后2个单位量作为_/《36J * O的前2个元素，从S中 寻找满足条件的^，将^最后一个元素补入/。，令&=~，并从S中删除^; 步骤1.2.4:重复步骤1.2.3至S为空，即可完全建立/。。令步骤1.2.2中^ = Wcr ，按上述编码方法可得错位条纹为错位条纹由多个单周期条纹组成，为了表示每个周期条纹的逻辑位置，给每 个条纹赋一个值，称之为条纹的阶次，本专利技术中，设定最左边单周期条纹的阶次 为l，条纹的阶次向右递增，即从最左边的周期条纹往右，每个单周期条纹的阶次 以1递增；步骤2:错位条纹含38个周期条纹，满足测量的需要。将设计的4幅相移条 纹的周期数与错位条纹取相同值，并根据测量要求设定条纹周期和图像的大小， 生本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三维扫描系统中基于错位条纹的相位展开方法，其特征在于根据实际测量需求和错位条纹的编码要求设计带９０°相移的４幅光栅相移图和一幅错位条纹光栅图，将其投射至被测物体上，然后由摄像机摄回至计算机，根据４幅相移图，利用相移法，根据φ（ｘ，ｙ）＝ｔａｎ↑［－１］［（Ｉ↓［４］（ｘ，ｙ）－Ｉ↓［２］（ｘ，ｙ））／（Ｉ↓［１］（ｘ，ｙ）－Ｉ↓［３］（ｘ，ｙ））］，得到相位值在－π～π范围内的折叠相位；将错位条纹图像分别和４幅相移图像作差，得到４幅条纹差图；错位条纹和每幅相移条纹中相同的（ｘ，ｙ）＋γ（ｘ，ｙ）ｃｏｓ［２πｆ′ｘ＋φ（ｘ，ｙ）＋β（ｘ，ｙ）］ （ｘ，ｙ）为图像中坐标点，β（ｘ，ｙ）∈｛０，０．５π，π，１．５π｝，且当ｆ′ｘ为整数时β（ｘ，ｙ）的取值发生变化，即β（ｘ，ｙ）的值在每个周期条纹内不变，在周期间发生变化，变化规律由错位条纹的编码决定； 步骤５：将折叠相位展开，得到绝对相位值； 根据错位条纹光栅中每个单周期条纹的阶次，准确得到每个相位周期的阶次，根据公式：Φ（ｉ，ｊ）＝φ（ｉ，ｊ）＋２ｋπ，ｋ＝０，１，２……，其中，φ（ｉ，ｊ）为折叠相位图中某点的相位值，ｋ表示该点在折叠相位图的阶次，Φ（ｉ，ｊ）为该点展开后的绝对相位值，即可得出展开后全场相位唯一的相位图。组成部分，在差图中表现为值为０的条纹，通过对差图进行阈值分割、滤波和边界精确定位处理，得到精确的０值条纹信息；４幅差图中的０值条纹位置分别代表了带有９０°的相移的４种单周期条纹在错位条纹图像中的位置分布，这样，可以利用条纹差图中的０值条纹信息确定错位条纹图像中各个位置上的条纹特征，然后结合错位条纹的编码信息，确定摄像机获取的错位条纹中的每个单周期条纹的阶次，以此指导折叠相位图展开，得到全场唯一的相位值； 具体操作步骤如下： 步骤１：设计４幅带有９０°相移的条纹图和１幅错位条纹图； 步骤２：将设计的４幅相移条纹的周期数与错位条纹取相同值，并根据测量要求设定条纹周期和图像的大小，生成５幅投影光栅图像，经投影仪将其投射到物体表面，每对物体投射一幅投影光栅，摄像机都对物体取图一次； 步骤３：对采集到得４幅相移光栅图像进行处理，计算折叠相位； 采集到的４幅相移光栅图像为： Ｉ↓［１］′（ｘ，ｙ）＝Ｉ↓［０］（ｘ，ｙ）＋γ（ｘ，ｙ）ｃｏｓ［２πｆ′ｘ＋φ（ｘ，ｙ）］ Ｉ↓［２］′（ｘ，ｙ）＝Ｉ↓［０］（ｘ，ｙ）＋γ（ｘ，ｙ）ｃｏｓ［２πｆ′ｘ＋φ（ｘ，ｙ）...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：达飞鹏，王新，盖绍彦，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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