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1、(10)申请公布号 CN 102155924 A (43)申请公布日 2011.08.17 CN 102155924 A *CN102155924A* (21)申请号 201010592312.8 (22)申请日 2010.12.17 G01B 11/25(2006.01) G01J 9/00(2006.01) (71)申请人 南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市白下区御道街 29 号 (72)发明人 崔海华 戴宁 吴勇辉 廖文和 程筱胜 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 叶连生 (54) 发明名称 基于绝对相位恢复的四步相移方法 (57)。
2、 摘要 一种基于绝对相位恢复的四步相移方法， 属 三维测量技术领域。由以下步骤组成 ： 计算机生 成隐含有绝对相位标识的光栅编码条纹图像 ； 编 码条纹图案的投射和被测物体图像的采集 ； 根据 调制度信息区分绝对相位标识 ； 在标识区域内外 分别使用不同的相位求解方法解相位。本方法相 对其他的相位求解方法， 相位的求解不需要单独 投射附加的绝对相位标识图像， 所需图像数量较 少 ； 相位求解的方法对绝对相位标识区域边界要 求不严格， 获取正确的绝对相位稳定性好 ； 隐含 的绝对相位标识特征明显， 对比度较强， 便于提 取， 而且其形式不受限制， 满足不同的应用需求。 (51)Int.Cl. (。
3、19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 4 页 说明书 7 页 附图 4 页 CN 102155927 A1/4 页 2 1. 一种基于绝对相位恢复的四步相移方法， 其特征在于由以下步骤组成 ： 步骤 1、 计算机生成光栅编码条纹图像 ： 通过程序编制生成四幅正弦编码条纹图像， 图像的光强分布满足式 (1)-(4), (1) (2) (3) (4) 其中，、分别为第一、 二、 三、 四幅光栅编码条纹图像 中像素坐标为的光强灰度值 , 为背景光强，为条纹幅值 ； 绝对相位标 识图案设置在第一幅编码条纹图像的任一第条条纹中 ； 为绝对相位标识系数， 当且仅 当且时，=。
4、0， 否则，=1，表示坐标为的像素点 所在的条纹的序号 ；为光栅编码条纹图像中坐标为的像素点的相位值， 当编码 条纹是水平条纹时，； 当编码条纹是竖直条纹时， 为正弦编码条纹的周期 ； 步骤 2、 编码条纹图案的投射和被测物体图像的采集 ： 调整数字投影设备参数， 将步骤 1 所述四幅正弦编码条纹图像按顺序依次通过数字式 投影设备投射到被测物表面， 并用数字相机按相应的顺序依次对被测物进行图像采集， 获 得四幅带有编码条纹的被测物体图像 ； 步骤 3、 调制度求解 ： 对步骤 2 采集的被测物体的四幅图像， 提取四幅图像中同一位置点的像素灰度值、 、 、 ， 根据公式 (5) 至 (10) 分。
5、别计算该位置点的像素的调制度和平均调制度； 计算每个位置点的像素的调制度值： (5) 计算每个位置点的像素的平均调制度值： 用第 2、 3、 4 幅计算： (6) 用第 1、 3、 4 幅计算： (7) 权 利 要 求 书 CN 102155924 A CN 102155927 A2/4 页 3 用第 1、 2、 4 幅计算： (8) 用第 1、 2、 3 幅计算： (9) 平均调制度 ： (10) 步骤 4、 分别对每个位置点的像素的和进行比较 ： 凡是和不相等的， 则表示该位置点的像素是组成绝对相位图案的像素， 满足该条 件的像素称为绝对相位位置区域以内的像素 ； 凡是和相等的， 则表示该。
6、位置点的像素 不是组成绝对相位图案的像素， 满足该条件的像素称为绝对相位位置区域以外的像素 ； 步骤 5、 解相位 ： 对绝对相位位置区域以外的每个像素， 采用四步相移算法按公式 (11) 解相位 ； 对绝对 相位位置区域以内的每个像素， 采用三步相移算法按公式 (12) 解相位， (11) (12) 。 2. 一种基于绝对相位恢复的四步相移方法， 其特征在于由以下步骤组成 ： 步骤 1、 计算机生成光栅编码条纹图像 ： 通过程序编制生成四幅正弦编码条纹图像， 图像的光强分布满足式 (13)-(16), (13) (14) (15) (16) 其中，、分别为第一、 二、 三、 四幅光栅编码条纹。
7、图像 中像素坐标为的光强灰度值 , 为背景光强，为条纹幅值 ； 绝对相位标 识图案设置在第三幅编码条纹图像的任一第条条纹中 ； 为绝对相位标识系数， 当且仅 当且时，=0， 否则，=1，表示坐标为的像素点 所在的条纹的序号 ；为光栅编码条纹图像中坐标为的像素点的相位值， 当编码 条纹是水平条纹时，； 当编码条纹是竖直条纹时， 为正弦编码条纹的周期 ； 步骤 2、 编码条纹图案的投射和被测物体图像的采集 ： 权 利 要 求 书 CN 102155924 A CN 102155927 A3/4 页 4 调整数字投影设备参数， 将步骤 1 所述四幅正弦编码条纹图像按顺序依次通过数字式 投影设备投射到。
8、被测物表面， 并用数字相机按相应的顺序依次对被测物进行图像采集， 获 得四幅带有编码条纹的被测物体图像 ； 步骤 3、 调制度求解 ： 对步骤 2 采集的被测物体的四幅图像， 提取四幅图像中同一位置点的像素灰度值、 、 、 ， 根据公式 (17) 至 (22) 分别计算生成该位置点的像素的调制度和平均调制度 ； 计算每个位置点的像素的调制度值： (17) 计算每个位置点的像素的平均调制度值： 用第 2、 3、 4 幅计算： (18) 用第 1、 3、 4 幅计算： (19) 用第 1、 2、 4 幅计算： (20) 用第 1、 2、 3 幅计算： (21) 平均调制度 ： (22) 步骤 4、。
9、 分别对每个位置点的像素的和进行比较 ： 凡是和不相等的， 则表示该位置点的像素是组成绝对相位图案的像素， 满足该条 件的像素称为绝对相位位置区域以内的像素 ； 凡是和相等的， 则表示该位置点的像素 不是组成绝对相位图案的像素， 满足该条件的像素称为绝对相位位置区域以外的像素 ； 步骤 5、 解相位 ： 对绝对相位位置区域以外的每个像素， 采用四步相移算法按公式 (23) 解相位 ； 对绝对 相位位置区域以内的每个像素， 采用三步相移算法按公式 (24) 解相位， (23) 权 利 要 求 书 CN 102155924 A CN 102155927 A4/4 页 5 (24)。 权 利 要 求。
10、 书 CN 102155924 A CN 102155927 A1/7 页 6 基于绝对相位恢复的四步相移方法 所属技术领域 0001 基于绝对相位恢复的四步相移方法， 涉及计算机视觉测量领域， 属于三维测量方 法和仪器技术领域， 尤其涉及光学三维测量系统的结构光编码技术和绝对相位获取技术。 背景技术 0002 基于光学的非接触式三维物体形貌测量技术得到了长足的发展， 该技术已经广泛 应用于产品设计与制造、 质量检测与控制、 机器人视觉等领域。另外， 随着数字投影技术的 进步， 基于数字投影设备的结构光三维测量技术得到快速的扩展， 在整个光学三维测量技 术领域中占据越来越重要的地位。该方法 ：。
11、 首先利用计算机生成光栅编码条纹图像 ； 再使 用数字投影设备投射光栅编码条纹图像 ； 最后采集光栅条纹图像并进行编码求解和三维测 量。 0003 基于绝对相位标识进行相位编码方法主要分为两类 ： 一类方法是在投射图像时增加一幅标识图案， 如线条， 通过对采集的图像处理获得线 条的位置， 再根据该位置规定的绝对相位解其它的相位。 这种方法比较简单， 但增加了投射 的成本和图像的数目。 0004 另一类方法是将标识图案直接包含于用于求解相位的某一幅图像中。标识图 案可以是十字线 （Song Zhang and Shing-Tung Yau. High-resolution, real-time 。
12、3D absolute coordinate measurement based on a phase-shifting method， Opt Express 2006） 、 点等。这些方法都同时遇到两个难题 ： 标识图案的提取和被标识图案覆盖的相位恢 复。 由于采用的十字线和标识点所含的信息较少， 提取时十分困难， 采用了对调制度进行伽 马映射等方法， 增加了处理过程， 且易受图像质量的影响。Shaoyan Gai, Feipeng Da 提出 在正弦编码图案中对一条或多条条纹引入比例因子， 采集投射的图像后先去背景， 再根据 灰度计算该因子的值， 并进行二值化 （0或1） ， 据此得出被。
13、标记过的条纹位置。 然而， 该方法 要求图像质量高， 易受噪声的影响。 发明内容 0005 针对现有方法投射图像多、 绝对相位位置提取难、 对图像质量要求高、 易受噪声影 响和的缺点， 本发明提出了一种包含绝对相位信息更强的结构光形式， 只需四幅图像， 采用 解调制度的方法简单地得到绝对相位图案的位置， 对图像质量要求不高， 对噪声不敏感， 且 避免了对被覆盖相位的恢复操作。 0006 一种基于绝对相位恢复的四步相移方法， 其特征在于由以下步骤组成 ： 步骤 1、 计算机生成光栅编码条纹图像 ： 通过程序编制生成四幅正弦编码条纹图像， 图像的光强分布满足式 (1)-(4), (1) (2) 说。
14、 明 书 CN 102155924 A CN 102155927 A2/7 页 7 (3) (4) 其中，、分别为第一、 二、 三、 四幅光栅编码条纹图像 中像素坐标为的光强灰度值 , 为背景光强，为条纹幅值 ； 绝对相位标 识图案设置在第一幅编码条纹图像的任一第条条纹中 ； 为绝对相位标识系数， 当且仅 当且时，=0， 否则，=1，表示坐标为的像素点 所在的条纹的序号 ；为光栅编码条纹图像中坐标为的像素点的相位值， 当编码 条纹是水平条纹时，； 当编码条纹是竖直条纹时， 为正弦编码条纹的周期 ； 步骤 2、 编码条纹图案的投射和被测物体图像的采集 ： 调整数字投影设备参数， 将步骤 1 所述。
15、四幅正弦编码条纹图像按顺序依次通过数字式 投影设备投射到被测物表面， 并用数字相机按相应的顺序依次对被测物进行图像采集， 获 得四幅带有编码条纹的被测物体图像 ； 步骤 3、 调制度求解 ： 对步骤 2 采集的被测物体的四幅图像， 提取四幅图像中同一位置点的像素灰度值、 、 、 ， 根据公式 (5) 至 (10) 分别计算该位置点的像素的调制度和平均调制度； 计算每个位置点的像素的调制度值： (5) 计算每个位置点的像素的平均调制度值： 用第 2、 3、 4 幅计算： (6) 用第 1、 3、 4 幅计算： (7) 用第 1、 2、 4 幅计算： (8) 用第 1、 2、 3 幅计算： (9)。
16、 平均调制度 ： (10) 说 明 书 CN 102155924 A CN 102155927 A3/7 页 8 步骤 4、 分别对每个位置点的像素的和进行比较 ： 凡是和不相等的， 则表示该位置点的像素是组成绝对相位图案的像素， 满足该条 件的像素称为绝对相位位置区域以内的像素 ； 凡是和相等的， 则表示该位置点的像素 不是组成绝对相位图案的像素， 满足该条件的像素称为绝对相位位置区域以外的像素 ； 步骤 5、 解相位 ： 对绝对相位位置区域以外的每个像素， 采用四步相移算法按公式 (11) 解相位 ； 对绝对 相位位置区域以内的每个像素， 采用三步相移算法按公式 (12) 解相位， (11。
17、) (12) 另一种基于绝对相位恢复的四步相移方法， 其特征在于由以下步骤组成 ： 步骤 1、 计算机生成光栅编码条纹图像 ： 通过程序编制生成四幅正弦编码条纹图像， 图像的光强分布满足式 (13)-(16), (13) (14) (15) (16) 其中，、分别为第一、 二、 三、 四幅光栅编码条纹图像 中像素坐标为的光强灰度值 , 为背景光强，为条纹幅值 ； 绝对相位标 识图案设置在第三幅编码条纹图像的任一第条条纹中 ； 为绝对相位标识系数， 当且仅 当且时，=0， 否则，=1，表示坐标为的像素点 所在的条纹的序号 ；为光栅编码条纹图像中坐标为的像素点的相位值， 当编码 条纹是水平条纹时，。
18、； 当编码条纹是竖直条纹时， 为正弦编码条纹的周期 ； 步骤 2、 编码条纹图案的投射和被测物体图像的采集 ： 调整数字投影设备参数， 将步骤 1 所述四幅正弦编码条纹图像按顺序依次通过数字式 投影设备投射到被测物表面， 并用数字相机按相应的顺序依次对被测物进行图像采集， 获 得四幅带有编码条纹的被测物体图像 ； 步骤 3、 调制度求解 ： 对步骤 2 采集的被测物体的四幅图像， 提取四幅图像中同一位置点的像素灰度值、 、 、 ， 根据公式 (17) 至 (22) 分别计算生成该位置点的像素的调制度和平均调制度 ； 说 明 书 CN 102155924 A CN 102155927 A4/7 。
19、页 9 计算每个位置点的像素的调制度值： (17) 计算每个位置点的像素的平均调制度值： 用第 2、 3、 4 幅计算： (18) 用第 1、 3、 4 幅计算： (19) 用第 1、 2、 4 幅计算： (20) 用第 1、 2、 3 幅计算： (21) 平均调制度 ： (22) 步骤 4、 分别对每个位置点的像素的和进行比较 ： 凡是和不相等的， 则表示该位置点的像素是组成绝对相位图案的像素， 满足该条 件的像素称为绝对相位位置区域以内的像素 ； 凡是和相等的， 则表示该位置点的像素 不是组成绝对相位图案的像素， 满足该条件的像素称为绝对相位位置区域以外的像素 ； 步骤 5、 解相位 ： 。
20、对绝对相位位置区域以外的每个像素， 采用四步相移算法按公式 (23) 解相位 ； 对绝对 相位位置区域以内的每个像素， 采用三步相移算法按公式 (24) 解相位， (23) (24) 本发明相比于现有的绝对相位提取方法方法具有以下优点 ： (1) 将绝对相位包含到用于相位求解图像中， 不需附加投射单独的标识条纹， 只需要四 幅图像就能求得绝对相位标识图案的位置， 且进行相位求解， 减少了投射图像的数目 ； （2） 绝度相位标识图案位置的设计， 使得两种调制度在该位置具有明显的对比度， 因此 在确定绝对相位标识图案在数字相机采集的图像中的位置时， 即使受到噪声的干扰， 仍然 能得到准确的结果， 。
21、说明本方法的适用性好 ； (3) 绝对相位标识图案形式多样， 能满足不同的需求， 灵活性好 ； 说 明 书 CN 102155924 A CN 102155927 A5/7 页 10 (5) 处理方法简单， 仅需根据调制度即能实现绝对相位标识图案的位置确定。 附图说明 0007 图 1 本发明的包含绝对相位信息的编码条纹， 灰度图表示 ； 图 2 本发明编码条纹对应的灰度值 ； 图 3 本发明方法在绝对相位内的调制度 ； 图 4 两种调制度的差值 ； 图 5 实验中由四幅图求得的调制度与平均调制度 ； 图 6 绝对相位的位置。 具体实施方案 0008 方案 1、 1、 一种基于绝对相位恢复的四。
22、步相移方法， 其特征在于由以下步骤组成 ： 步骤 1、 计算机生成光栅编码条纹图像 ： 通过程序编制生成四幅正弦编码条纹图像， 图像的光强分布满足式 (1)-(4), (1) (2) (3) (4) 其中，、分别为第一、 二、 三、 四幅光栅编码条纹图像 中像素坐标为的光强灰度值 , 为背景光强，为条纹幅值 ； 绝对相位标 识图案设置在第一幅编码条纹图像的任一第条条纹中 ； 为绝对相位标识系数， 当且仅 当且时，=0， 否则，=1，是坐标为的像素点所 在的条纹的序号 ；为光栅编码条纹图像中坐标为的像素点的相位值， 取竖直条 纹， 为正弦编码条纹的周期。 依照本方案设计的含绝对相位标识图案的光栅。
23、编码条纹如 图 1， 靠近图像中心的细长亮条纹为绝对相位标识图案， 图 2 为图 1 对应的灰度值曲线 ； 步骤 2、 编码条纹图案的投射和被测物体图像的采集 ： 调整数字投影设备参数， 将步骤 1 所述四幅正弦编码条纹图像按顺序依次通过数字式 投影设备投射到被测物表面， 并用数字相机按相应的顺序依次对被测物进行图像采集， 获 得四幅带有编码条纹的被测物体图像 ； 步骤 3、 调制度求解 ： 对步骤 2 采集的被测物体的四幅图像， 提取四幅图像中同一位置点的像素灰度值、 、 、 ， 根据公式(5)至(10)分别计算生成该位置点的像素的调制度和平均调制度 ； 说 明 书 CN 102155924。
24、 A CN 102155927 A6/7 页 11 计算每个位置点的像素的调制度值： (5) 计算每个位置点像素的平均调制度值： 用第 2、 3、 4 幅计算： (6) 用第 1、 3、 4 幅计算： (7) 用第 1、 2、 4 幅计算： (8) 用第 1、 2、 3 幅计算： (9) 平均调制度 ： (10) 将调制度值和平均调制度值转化成图像的形式， 得到调制度图像和平均调制度图 像如 5 所示 ； 步骤 4、 分别对每个位置点的像素的和进行比较 ： 凡是和不相等的， 则表示该位置点的像素是组成绝对相位图案的像素， 满足该条 件的像素称为绝对相位位置区域以内的像素 ； 凡是和相等的， 则。
25、表示该位置点的像素 不是组成绝对相位图案的像素， 满足该条件的像素称为绝对相位位置区域以外的像素 ； 理论上， 由计算公式 （5） 至 （10） ， 对不是组成绝对相位标识图案的像素， 有 对组成绝对相位标识图案的像素， 有 (a) (b) 说 明 书 CN 102155924 A CN 102155927 A7/7 页 12 公式 （a） 、（b） 的曲线图如图 3 所示， 图 4 是两者的差值， 图 3 和图 4 说明， 在一个周期 （） 内的绝大区域 （） ，。所以， 对数字相机采集的图像进行上述操 作时， 根据， 就能得出数字相机采集的图像上绝对相位标识图案的位置。 0009 步骤 5。
26、、 解相位 ： 对绝对相位位置区域以外的每个像素， 采用四步相移算法按公式 (11) 解相位 ； 对绝对 相位位置区域以内的每个像素， 采用三步相移算法按公式 (12) 解相位， (11) (12) 0010 实验效果如图 5 和图 6 所示。图 5 是实验中对数字相机采集的被测物体的图像 计算得到的调制度图像， 图 6 是两种调制度的差值， 光亮带即是数字相机采集的图像中绝 对相位图案的位置， 周围存在的噪声点可用二值化方法去掉。由图 5 和图 6 看出， 实验效果 很好。 0011 方案 2、 步骤 1、 除计算机生成的四幅图像的灰度值满足式 (13)-(16) (13) (14) (15。
27、) (16) 外， 其余与方案一中相同 ； 步骤 2、 步骤 3、 步骤 4 同方案一中相应步骤相同 ； 步骤 5、 解相位 ： 对绝对相位位置区域以外的每个像素， 采用四步相移算法按公式 (23) 解相位 ； 对绝对 相位位置区域以内的每个像素， 采用三步相移算法按公式 (24) 解相位， (23) (24) 说 明 书 CN 102155924 A CN 102155927 A1/4 页 13 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102155924 A CN 102155927 A2/4 页 14 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102155924 A CN 102155927 A3/4 页 15 图 5 说 明 书 附 图 CN 102155924 A CN 102155927 A4/4 页 16 图 6 说 明 书 附 图 CN 102155924 A 。