基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法屬于結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]三維形貌測量在科學(xué)研宄、醫(yī)學(xué)診斷、工程設(shè)計、刑事偵查等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。而結(jié)構(gòu)光作為三維形貌測量手段的重要組成部分，以其非接觸式、成本低、分辨率高和速度快的優(yōu)勢，得到了各國學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。
[0003]結(jié)構(gòu)光是一組由投影儀和攝像頭組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。用投影儀投射特定的光信息到物體表面后及背景后，再由攝像頭進行采集，根據(jù)物體造成的光信號變化來計算物體的位置和深度信息，進而復(fù)原整個物體三維形貌。
[0004]編解碼技術(shù)是結(jié)構(gòu)光的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，最原始的編解碼方法是將投影光的整個周期投射到被測物體上，這種方式由于相鄰兩個像素之前的灰度值差值很小，因此抗干擾能力差。針對上述問題，發(fā)展了將兩束不同頻率光相結(jié)合的編解碼方法，其中就包括將兩個模擬編碼光相結(jié)合的方法，該方法具有高采樣密度、高分辨率和高測量準(zhǔn)確度。然而，這類方法的相位展開算法復(fù)雜，而且在實際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)會存在相位主值測量誤差導(dǎo)致相位跳變問題。
[0005]針對相位展開算法復(fù)雜以及相位跳變的問題，本課題組在2014年11月18日申請了發(fā)明專利《一種雙頻模擬編碼光容錯相位展開工程方法》，后文簡稱《相位展開工程方法》，該專利采用了一種非常簡單的運算規(guī)則，即可實現(xiàn)相位展開，并且克服了相位跳變的冋題。
[0006]而隨著工作的不斷深入，發(fā)現(xiàn)《相位展開工程方法》可以更加完善，首先，該工作可以具體到采用《相位展開工程方法》沒有提及的雙頻正弦波，然后，突破正弦波周期為整數(shù)的限制，以及雙頻正弦波周期差值為I的限制，最后，給出正弦波相位展開的計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于對在先申請發(fā)明《一種雙頻模擬編碼光容錯相位展開工程方法》進行進一步細(xì)化與完善，實現(xiàn)對雙頻正弦波進行解碼。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法，該方法在本課題組在先申請發(fā)明專利的基礎(chǔ)上進行延續(xù)，不僅保留了在先申請發(fā)明的全部技術(shù)優(yōu)勢，而且同在先申請發(fā)明相比，靈活性更好，算法更具體。
[0009]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0010]基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法，包括以下步驟:
[0011]步驟a、分別投影波形函數(shù)為yl = kl X sin (2 π x/al)+bl的第一正弦波和波形函數(shù)為 y2 = k2 X sin (2 π x/a2) +b2 的第二正弦波；
[0012]其中:
[0013]kl決定第一正弦波的對比度，al為第一正弦波的波長，bl決定第一正弦波的亮度；
[0014]k2決定第二正弦波的對比度，a2為第二正弦波的波長，b2決定第二正弦波的亮度；
[0015]X為空間位置；
[0016]并且:
[0017]兩個正弦波起始點相同；
[0018]al/(a2_al) e N，N 為自然數(shù)；
[0019]步驟b、根據(jù)給定的空間位置X，X e (0，alXa2/(a2-al))，求所述空間位置X對應(yīng)第一正弦波的相位主值Phil和第二正弦波的相位主值phi2 ;
[0020]步驟c、對第一正弦波的相位主值phi I和第二正弦波的相位主值phi2進行重新賦值:
[0021]phil = al Xphil/(2 JT);
[0022]phi2 = a2Xphi2/(2 π )；
[0023]步驟d、求步驟c所得phi I和phi2的差:h = phil_phi2 ；
[0024]步驟e、求解空間位置X所包含第一正弦波的周期整數(shù)nl和第二正弦波的周期整數(shù)n2:
[0025]nl = mod (h, a2) /abs (al~a2)；
[0026]n2 = mod (h, al)/abs (al_a2)；
[0027]其中:mod()為取余數(shù)運算，abs為取絕對值運算；
[0028]步驟f、采用nlXal+phil或n2 X a2+phi2求解相位展開值。
[0029]上述基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法，所述的al和a2同為整數(shù)，或同為非整數(shù)，或一個為整數(shù)一個為非整數(shù)。
[0030]上述基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法，對于仿真運算，采用如下方法得到步驟b中的phi I和phi2:
[0031]phil = arcsin(2 π X/al)；
[0032]如果:
[0033]tan (2 π X/al) >0，并且 sin (2 π X/al) <0,對 phil 進行重新賦值，有:phil =π-phil；
[0034]tan (2 π X/al)〈0，并且 sin (2 π X/al) <0,對 phil 進行重新賦值，有:phil =2 π +phil ；
[0035]tan (2 π X/al) >0，并且 sin (2 π X/al) >0，對 phil 進行重新賦值，有:phil = phil ；
[0036]tan (2 Ji X/al)〈0，并且 sin (2 π X/al) >0,對 phil 進行重新賦值，有:phil =π-phil；
[0037]tan (2 Ji X/al)無意義，并且 cos (2 Ji X/al) >0，對 phil 進行重新賦值，有:phil =O ；
[0038]tan (2 Ji X/al)無意義，并且 cos (2 Ji X/al)〈0，對 phil 進行重新賦值，有:phil =π ;
[0039]phi2 = arcsin (2 JT X/a2)；
[0040]如果:
[0041]tan(2 3iX/a2)>0,并且 sin (2 π X/a2) <0,對 phi2 進行重新賦值，有:phi2 =π-phi2 ；
[0042]tan (2 π X/a2)〈0，并且 sin (2 π X/a2)〈0，對 phi2 進行重新賦值，有:phi2 =2π+phi2 ；
[0043]tan (2 π X/a2) >0，并且 sin (2 π X/a2) >0，對 phi2 進行重新賦值，有:phi2 = phi2 ；
[0044]tan (2 π X/a2)〈0，并且 sin (2 π X/a2) >0，對 phi2 進行重新賦值，有:phi2 =π-phi2 ；
[0045]tan (2 JT X/a2)無意義，并且 cos (2 JT X/a2) >0，對 phi2 進行重新賦值，有:phi2 =O ；
[0046]tan (2 π X/a2)無意義，并且 cos (2 π X/a2)〈0，對 phi2 進行重新賦值，有:phi2 =π ;
[0047]上述基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法，在步驟d和步驟e之間，還包括步驟d，:
[0048]如果abs (h)大于閾值，h = h ；
[0049]如果abs(h)不大于閾值，h = O。
[0050]所述的閾值為I(Γ1。。
[0051]一種實現(xiàn)上述基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法的投影采集系統(tǒng)，包括投影儀、被測物、以及圖像采集系統(tǒng)，所述的投影儀向被測物投影結(jié)構(gòu)光，圖像采集系統(tǒng)采集投射有結(jié)構(gòu)光的被測物圖像，所述投影儀投射的結(jié)構(gòu)光為:
[0052]波形函數(shù)為yl = kl X sin (2 JT x/al)+b I的第一正弦波和波形函數(shù)為y2 =k2 X sin (2 JT x/a2) +b2 的第二正弦波；
[0053]其中:
[0054]kl決定第一正弦波的對比度，al為第一正弦波的波長，bl決定第一正弦波的亮度；
[0055]k2決定第二正弦波的對比度，a2為第二正弦波的波長，b2決定第二正弦波的亮度；
[0056]X為空間位置；
[0057]并且:
[0058]兩個正弦波起始點相同；
[0059]al/(a2_al) e N，N 為自然數(shù)。
[0060]有益效果:
[0061]第一、由于本發(fā)明的基本思想延續(xù)《相位展開工程方法》，因此，同樣具有避免圖像信息提取誤差帶來的測量粗大誤差的技術(shù)優(yōu)勢，以及具有避免具有粗大誤差的nl或n2對計算空間位置X實際值影響的技術(shù)優(yōu)勢。
[0062]第二、本發(fā)明采用了《相位展開工程方法》沒有提及的雙頻正弦波，給出了雙頻正弦波的具體解碼算法，同時解決了兩個在《相位展開工程方法》給出的基本公式中不會出現(xiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員預(yù)料不到的兩個問題:
[0063]首先、由于正弦曲線的相位主值為從-JT到，不僅從-Ji到O的部分會造成計算nl和n2時的錯誤，而且在從-JT到O的部分以及從O到π的部分，每一個因變量都可以由兩個自變量對應(yīng)，因此需要對相位主值進行判斷并重新賦值，本發(fā)明給出了具體的算法，解決了此問題；
[0064]其次、由于運算過程中的四舍五入，使得h的微小誤差造成周期整數(shù)的巨幅跳變，進而造成相位展開值計算錯誤，本發(fā)明同樣通過對h進行閾值判斷，給出了重新賦值算法，解決了此問題。
[0065]第三、同《相位展開工程方法》相比，由于本發(fā)明對正弦波函數(shù)的定義中包括決定正弦波對比度的kl和k2，決定正弦波亮度的bl和b2，而在計算相位展開值時，又不受這些參數(shù)的影響，因此本發(fā)明方法可以在不改變正弦波波長的前提下，根據(jù)實際需要隨意調(diào)整正弦波的波形，靈活性更具優(yōu)勢。
[0066]第四、同《相位展開工程方法》相比，由于本發(fā)明采用al/(a2_al) e N來限定正弦波的周期，因此不要求正弦波周期長度必須為正整數(shù)，也不要求兩個正弦波周期的差值必須為1，因此擴大了波形的適用范圍，增加了實際應(yīng)用時波形選擇的靈活性。
[0067]第五、同《相位展開工程方法》相比，由于本發(fā)明采用al/(a2_al) e N來限定正弦波的周期，使得在求解nl和n2時，無需采用《相位展開工程方法》中所采用的round取整運算，因此簡化了運算步驟。
[0068]綜上所述，本發(fā)明的基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法，不僅保留了本課題組在先申請發(fā)明的全部技術(shù)優(yōu)勢，而且同在先申請發(fā)明相比，靈活性更好，算法更具體。
【附圖說明】
[0069]圖1是具體實施例一所繪制的兩個正弦波的波形圖。
[0070]圖2是具體實施例二所繪制的兩個正弦波的波形圖。
[0071]圖3是具體實施例三所繪制的兩個正弦波的波形圖。
【具體實施方式】
[0072]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】作進一步詳細(xì)描述。
[0073]具體實施例一
[0074]本實施例的基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法，用于驗證在與《相位展開工程方法》參數(shù)相同條件下的有效性。
[0075]本實施例的基于雙頻正弦波的結(jié)構(gòu)光相位解碼方法，包括以下步驟:
[0076]步驟a、分別投影波形函數(shù)為yl = klXsin(2 Ji x/al)+bI的第一正弦波和波形函數(shù)為 y2= k2 X sin (2 π x/a2) +b2 的第二正弦波；
[0077]其中:
[0078]kl = 1，a