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    重庆时时彩和质规律: 一种相位测量轮廓术的GAMMA非线性校正方法、系统.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201510572218.9

    申请日:

    2015.09.09

    公开号:

    CN105606038A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01B 11/25申请日:20150909|||公开
    IPC分类号: G01B11/25 主分类号: G01B11/25
    申请人: 深圳大学
    发明人: 彭翔; 蔡泽伟; 刘晓利; 何文奇; 徐晨
    地址: 518060 广东省深圳市南山区南海大道3688号
    优先权:
    专利代理机构: 深圳市恒申知识产权事务所(普通合伙) 44312 代理人: 王利彬
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510572218.9

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.11.27|||2016.06.22|||2016.05.25

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明属于光学三维数字成像技术领域,提供了一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法、系统。本发明结合经典的最小二乘相移解相位法和投影-成像装置的gamma模型,推导一种相位测量轮廓术测量系统的通用相位误差分布模型,进而基于该相位误差分布模型提出一种高效、高精度、高鲁棒性的gamma非线性校正方法和系统。该方法和系统有利于进一步深入的理论推导和系统误差分析,适用于任何步数的相移法和相应的测量要求,满足高速、高精度、高普适性的基于相位测量轮廓术的三维数字成像和测量的要求。

    权利要求书

    1.一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法,其特征在于,所述方
    法包括以下步骤:
    获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图,并基于最小二乘
    相移解相位法,对获取的条纹图求解相位;
    将求解得到的相位与真实相位进行比较,得到相位误差分布,分析并拟合
    出所述相位误差分布的振幅;
    利用相位误差分布的振幅,计算相位测量轮廓术测量系统的gamma系数,
    以实现gamma非线性校正。
    2.如权利要求1所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法,其特
    征在于,所述获取的相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图的强度
    表示为:
    I n C = [ A C + B C c o s ( φ + δ n ) ] γ = B 0 + Σ k = 1 [ B k c o s ( n ) ] ]]>
    其中,AC是条纹背景强度,BC是条纹调制强度,φ是经待测表面调制的真
    实相位,B0是直流分量,Bk是k阶谐波的强度,δn=2π(n-1)/N是第n步的相移量,
    N是条纹投影图的相移步数,φn=φ+δn是调制的相移相位,γ是相位测量轮廓术
    测量系统的gamma系数。
    3.如权利要求1所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法,其特
    征在于,所述基于最小二乘相移解相位法,对获取的条纹图求解相位的步骤表
    示为:
    φ C = a r c t a n { - Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k c o s ( n ) sinδ n ] Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k cos ( n ) cosδ n ] } ]]>
    其中,φC是实际求解得到的相位分布值,Bk是k阶谐波的强度,δn=2π(n-1)/N
    是第n步的相移量,N是条纹投影图的相移步数,φn=φ+δn是调制的相移相位,φ
    是经待测表面调制的真实相位。
    4.如权利要求1所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法,其特
    征在于,所述相位误差分布表示为:
    Δ φ = a r c t a n [ - G N - 1 sin ( N φ ) 1 + G N - 1 c o s ( N φ ) ] ]]>
    其中,γ是相位测量轮廓术测量系统的gamma系数,φ是经
    待测表面调制的真实相位,N是条纹投影图的相移步数。
    5.如权利要求1所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法,其特
    征在于,所述相位误差分布的振幅表示为:
    A△φ=arcsin(|GN-1|)
    其中,γ是相位测量轮廓术测量系统的gamma系数,N是条
    纹投影图的相移步数。
    6.如权利要求1所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法,其特
    征在于,在所述获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图的步骤
    之前,还包括以下步骤:
    计算机生成N步相移条纹投影图,并由相位测量轮廓术测量系统的投影装
    置投射到待测表面,经待测表面调制的条纹图由相位测量轮廓术测量系统的成
    像装置采集并输出;
    所述计算机生成N步相移条纹投影图的步骤表示为:
    I n P = A P + B P c o s ( 2 π f x + δ n ) , n = 1 , 2 , ... , N ]]>
    其中,是条纹投影图的归一化强度值,AP是用户设计的条纹背景强度,BP
    是用户设计的条纹调制强度,一般地,设置AP=BP=0.5,f是条纹投影图的条纹
    分布频率,x是像素坐标,δn=2π(n-1)/N是第n步的相移量,N是条纹投影图的相
    移步数。
    7.如权利要求1所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法,其特
    征在于,在所述利用相位误差分布的振幅,计算相位测量轮廓术测量系统的
    gamma系数的步骤之后,所述方法还包括以下步骤:
    根据gamma系数重新生成N步相移条纹投影图,由相位测量轮廓术测量
    系统的投影装置重新投射,实现gamma非线性校正;
    所述根据gamma系数重新生成N步相移条纹投影图的步骤表示为:
    I n U = [ A P + B P c o s ( 2 π f x + δ n ) ] 1 γ ]]>
    其中,是重新生成的条纹投影图的归一化强度值。
    8.一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统,其特征在于,所述系
    统包括:
    解相位???,用于获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图,
    并基于最小二乘相移解相位法,对获取的条纹图求解相位;
    相位误差分析???,用于将所述解相位??榍蠼獾玫降南辔挥胝媸迪辔唤?br />行比较,得到相位误差分布,分析并拟合出该相位误差分布的振幅;
    校正???,用于利用所述相位误差分析??榈玫降南辔晃蟛罘植嫉恼穹?,
    计算相位测量轮廓术测量系统的gamma系数,以实现gamma非线性校正。
    9.如权利要求8所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统,其特
    征在于,所述系统还包括:
    投影图生成???,用于生成N步相移条纹投影图,并由相位测量轮廓术测
    量系统的投影装置投射到待测表面,经待测表面调制的条纹图由相位测量轮廓
    术测量系统的成像装置采集并输出;
    所述投影图生成??榛褂糜诟菟鲂U?榧扑愕玫降膅amma系数重
    新生成N步相移条纹投影图。
    10.一种相位测量轮廓术测量系统,其特征在于,所述系统包括投影装置、
    成像装置,还包括如权利要求8所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正系
    统。

    说明书

    一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法、系统

    技术领域

    本发明属于光学三维数字成像技术领域,尤其涉及一种数字条纹投影式相
    位测量轮廓术的gamma非线性校正方法、系统。

    背景技术

    相位测量轮廓术是一种非接触式、全场测量的光学三维数字成像与测量方
    法。该方法采用投影装置投影一组正弦光栅或准正弦光栅到物体表面,采用成
    像装置采集经物体表面面形调制后的条纹图,结合相移技术计算每一测量点的
    空间相位值,之后利用相位-深度映射计算物体表面的深度信息。相位测量轮廓
    术由于其高成像密度、高成像速度、高测量精度和高测量普适性而得到广泛应
    用。

    随着数字投影和数字成像技术的快速发展,提出了具有可编程性的数字条
    纹投影式相位测量轮廓术。数字条纹投影式相位测量轮廓术是将所需的几帧有
    一定相移的正弦光栅利用计算机软件预先产生,然后按照相移顺序由数字化的
    投影装置依次投影到物体表面,实现相位和深度测量。

    与传统光栅投影相比,数字条纹投影的优点是利用计算机生成光栅条纹、
    采用数字化的投影装置作为透射光源,可以方便投射出任意形状、频率的光栅
    条纹,且能够实现准确的相移,消除相移误差。但由于数字化的投影-成像装置
    在投影-采集的信号获取过程中存在输入-输出之间的非线性强度响应的问题,
    例如将正弦输入信号响应为非正弦输出信号,从而引入相位测量误差,并最终
    影响三维重建的精度。该非线性强度响应一般性的称为gamma效应,并用
    gamma模型进行数学建模。

    为了减小gamma非线性引起的测量误差,现有技术提出了一些相位误差补
    偿或gamma校正的方法,较典型的有:1、基于实验统计数据建立特定步数相
    移法的相位误差补偿查找表;2、推导gamma模型的严格数学表达,并根据相
    位误差分析优化相位值;3、通过特定步数相移法建立相位误差模型,求解系统
    gamma系数用以抑制gamma效应等。

    但现有技术提出的相位测量轮廓术的相位误差补偿或gamma校正方法限
    定于特定步数相移法,并局限于特定的相位测量轮廓术测量系统,不具有普适
    性。

    发明内容

    本发明实施例的目的在于提供一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正
    方法,旨在解决现有的相位误差补偿或gamma校正方法限定于特定步数相移
    法,并局限于特定的相位测量轮廓术测量系统,不具有普适性的问题。

    本发明实施例提供一种相位测量轮廓术的gamma非线性校正方法,所述方
    法包括以下步骤:

    获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图,并基于最小二乘
    相移解相位法,对获取的条纹图求解相位;

    将求解得到的相位与真实相位进行比较,得到相位误差分布,分析并拟合
    出所述相位误差分布的振幅;

    利用相位误差分布的振幅,计算相位测量轮廓术测量系统的gamma系数,
    以实现gamma非线性校正。

    本发明实施例的另一目的在于提供一种相位测量轮廓术的gamma非线性
    校正系统,所述系统包括:

    解相位???,用于获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图,
    并基于最小二乘相移解相位法,对获取的条纹图求解相位;

    相位误差分析???,用于将所述解相位??榍蠼獾玫降南辔挥胝媸迪辔唤?br />行比较,得到相位误差分布,分析并拟合出该相位误差分布的振幅;

    校正???,用于利用所述相位误差分析??榈玫降南辔晃蟛罘植嫉恼穹?,
    计算相位测量轮廓术测量系统的gamma系数,以实现gamma非线性校正。

    本发明实施例的另一目的在于提供一种相位测量轮廓术测量系统,所述系
    统包括投影装置、成像装置,还包括如上所述的相位测量轮廓术的gamma非线
    性校正系统。

    本发明结合经典的最小二乘相移解相位法和投影-成像装置的gamma模型,
    推导一种相位测量轮廓术测量系统的通用相位误差分布模型,进而基于该相位
    误差分布模型提出一种高效、高精度、高鲁棒性的gamma非线性校正方法和系
    统。该方法和系统有利于进一步深入的理论推导和系统误差分析,适用于任何
    步数的相移法和相应的测量要求,满足高速、高精度、高普适性的基于相位测
    量轮廓术的三维数字成像和测量的要求。

    附图说明

    图1是本发明提供的数字条纹投影式相位测量轮廓术的gamma非线性校正
    方法的流程图;

    图2a是本发明的实验中三步相移的相位分布和二十步相移的相位分布;

    图2b是本发明的实验中与图2a中的相位分布分别对应的相位误差分布;

    图3a是本发明的实验中石膏模型在gamma非线性校正前基于三步相移法
    的相位测量轮廓术获得的三维数字图像;

    图3b是本发明的实验中石膏模型在gamma非线性校正后基于三步相移法
    的相位测量轮廓术获得的三维数字图像;

    图4是本发明提供的相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统的原理框
    图;

    图5是本发明提供的相位测量轮廓术测量系统的原理框图。

    具体实施方式

    为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实
    施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅
    仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

    本发明结合经典的最小二乘相移解相位法和投影-成像装置的gamma模型,
    推导一种相位测量轮廓术测量系统的通用相位误差分布模型,进而基于该相位
    误差分布模型提出一种gamma非线性校正方法和系统。

    图1示出了本发明提供的数字条纹投影式相位测量轮廓术的gamma非线性
    校正方法的流程,包括以下步骤:

    S1:获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图,并基于最小
    二乘相移解相位法,对获取的条纹图求解相位。

    进一步地,本发明中,相位测量轮廓术测量系统的成像装置采集的条纹图
    的强度表示为:

    I n C = A C + B C c o s ( φ + δ n ) - - - ( 1 ) ]]>

    其中,AC是条纹背景强度,BC是条纹调制强度,φ是经待测表面调制的真
    实相位,该真实相位与待测表面深度信息存在映射关系。由于系统存在非线性
    强度响应,成像装置的输出信号由于gamma效应而引入高次谐波,因此,成像
    装置输出的条纹图,即步骤S1中实际获取的条纹图的强度表示为:

    I n C = [ A C + B C c o s ( φ + δ n ) ] γ = B 0 + Σ k = 1 [ B k c o s ( n ) ] - - - ( 2 ) ]]>

    其中,B0是直流分量,Bk是k阶谐波的强度,δn=2π(n-1)/N是第n步的相移量,
    N是条纹投影图的相移步数,φn=φ+δn是调制的相移相位,γ是相位测量轮廓术
    测量系统的gamma系数。

    进一步地,本发明中,基于最小二乘相移解相位法,对获取的条纹图求解
    相位的步骤可表示为:

    φ C = a r c t a n [ - Σ n = 1 N ( I n C sinδ n ) Σ n = 1 N ( I n C cosδ n ) ] = a r c t a n { - Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k c o s ( n ) sinδ n ] Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k cos ( n ) cosδ n ] } - - - ( 3 ) ]]>

    其中,φC是由于gamma效应引入相位误差的实际求解得到的相位分布值。

    S2:将求解得到的相位与真实相位进行比较,得到相位误差分布,分析并
    拟合出该相位误差分布的振幅。

    具体来说,真实相位φ的分布可通过大步数相移算法近似获取,则相位误
    差分布△φ可通过如下过程获?。?br />

    Δ φ = φ C - φ = arctan { - cos φ Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k cos ( n ) sinδ n ] - sin φ Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k cos ( n ) cosδ n ] cos φ Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k cos ( n ) cosδ n ] - sin φ Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k cos ( n ) sinδ n ] } = arctan { - Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k cos ( n ) sinφ n ] Σ n = 1 N Σ k = 1 [ B k cos ( n ) cosφ n ] } = arctan { Σ n = 1 N Σ k = 1 [ ( B k + 1 - B k - 1 ) sin ( n ) ] NB 1 + Σ n = 1 N Σ k = 1 [ ( B k + 1 + B k - 1 ) cos ( n ) ] } - - - ( 4 ) ]]>

    又因为φn=φ+2π(n-1)/N,可得到如下关系:

    Σ n = 1 N [ sin ( n ) ] = { 0 , k m N N sin ( m N φ ) , k = m N , m Z + - - - ( 5 ) ]]>

    Σ k = 1 N [ cos ( n ) ] = { 0 , k m N N cos ( m N φ ) , k = m N , m Z + - - - ( 6 ) ]]>

    将式(5)和式(6)代入式(4),得到相位误差分布△φ的简化形式为:

    Δ φ = arctan { Σ k = 1 [ ( G k N + 1 - G k N - 1 ) sin ( k N φ ) ] 1 + Σ k = 1 [ ( G k N + 1 + G k N - 1 ) cos ( k N φ ) ] } - - - ( 7 ) ]]>

    其中,Gs随着谐波阶次s的增大而显著减小,因此仅考虑N
    阶谐波已经足够充分,且GN+1项对相位误差的影响远小于GN-1项,则式(7)可进
    一步简化为:

    Δ φ = arctan [ - G N - 1 sin ( N φ ) 1 + G N - 1 cos ( N φ ) ] - - - ( 8 ) ]]>

    其中,式(8)即为步骤S2得到的通用的相位误差分
    布。

    进一步地,分析由式(8)得到的相位误差分布,相位误差呈周期性分布,
    与真实相位、相移步数和gamma系数相关,该相位误差分布的振幅A△φ为:

    A△φ=arcsin(|GN-1|)(9)

    S3:利用相位误差分布的振幅,计算相位测量轮廓术测量系统的gamma
    系数,以实现gamma非线性校正。

    本发明中,结合和式(9),即可得到gamma值γ。由于
    各坐标处计算的gamma值γ略有差别,步骤S3取各坐标处gamma值γ的平均
    值则即为步骤S3所求得的相位测量轮廓术测量系统的gamma系数。

    本发明在步骤S1之前,还可包括以下步骤:

    S4:计算机生成N步相移条纹投影图,并由相位测量轮廓术测量系统的投
    影装置投射到待测表面,经待测表面调制的条纹图由相位测量轮廓术测量系统
    的成像装置采集并输出。

    本发明中,计算机生成N步相移条纹投影图的步骤可表示为:

    I n P = A P + B P c o s ( 2 π f x + δ n ) , n = 1 , 2 , ... , N - - - ( 10 ) ]]>

    其中,是条纹投影图的归一化强度值,AP是用户设计的条纹背景强度,BP
    是用户设计的条纹调制强度,一般地,设置AP=BP=0.5,f是条纹投影图的条纹
    分布频率,δn=2π(n-1)/N是第n步的相移量,x是像素坐标。

    此时,在步骤S3之后,本发明还可包括以下步骤:

    S5:根据gamma系数重新生成N步相移条纹投影图,由相位测量轮廓术
    测量系统的投影装置重新投射,实现gamma非线性校正。

    本发明中,步骤S5可表示为:

    I n U = [ A P + B P c o s ( 2 π f x + δ n ) ] 1 γ - - - ( 11 ) ]]>

    其中,是重新生成的条纹投影图的归一化强度值。

    以下以三步相移法的相位测量轮廓术为例说明上述gamma非线性校正方
    法的执行过程:

    首先,按照式(10)分别计算生成三步相移条纹投影图和二十步相移投影
    图,其中,二十步相移投影图最终计算得到的相位作为真实相位进行相关的相
    位误差分析。

    之后,在相位测量轮廓术测量系统的投影-成像范围内放置一块白板,作为
    gamma非线性校正的标靶。投影装置分别投影三步相移条纹投影图和二十步相
    移投影图,成像装置分别采集这两组变形条纹图。

    之后,按照式(3)分别计算三步相移的相位分布和二十步相移的相位分布,
    将两组相位分布图进行相减运算,得到三步相移法的相位误差分布,该相位误
    差分布呈周期性分布,分布的频率是采集条纹图相位分布频率的三倍。运用数
    值分析拟合出该相位分布的振幅A△φ。

    之后,结合和式(9),即可计算gamma值γ。由于所有
    计算过程都是逐像素进行的,每个位置解得的gamma值都略有差异,为稳定性
    起见,取所有gamma值的平均值作为相位测量轮廓术测量系统的gamma系数。

    在确定gamma系数之后,任何步数的相移法都可以按照式(11)计算生成
    相移条纹投影图,通过这些相移条纹投影图的投影-成像获得的变形条纹图,能
    够有效抑制由于投影-成像装置导致的gamma效应,最终获得正确的受物体深
    度信息调制的相位分布,进一步重建出高精度的物体表面三维形貌。

    如图2a是实验中三步相移的相位分布和二十步相移的相位分布,均取图像
    中间一行进行显示,实线为三步相移的相位分布,虚线为二十步相移的相位分
    布;如图2b是相应的相位误差分布。图2a和图2b可清晰的看出三步相移法的
    相位误差分布的情况,与本发明推到的相位误差分布的模型相符。

    如图3a是实验中石膏模型在gamma非线性校正前基于三步相移法的相位
    测量轮廓术获得的三维数字图像,如图3b是实验中石膏模型在gamma非线性
    校正后基于三步相移法的相位测量轮廓术获得的三维数字图像??杉?,经过本
    发明的gamma非线性校正后,得到的三维数字图像的成像精度显著提高。

    图4是本发明提供的相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统的原理框
    图,为了便于说明,仅示出了与本发明相关的部分。

    本发明的相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统包括:解相位???1,
    用于获取相位测量轮廓术测量系统的成像装置输出的条纹图,并基于最小二乘
    相移解相位法,对获取的条纹图求解相位,详细过程如对步骤S1的详细说明,
    不赘述;相位误差分析???2,用于将解相位???1求解得到的相位与真实
    相位进行比较,得到相位误差分布,分析并拟合出该相位误差分布的振幅,详
    细过程如对步骤S2的详细说明,不赘述;校正???3,用于利用相位误差分
    析???2得到的相位误差分布的振幅,计算相位测量轮廓术测量系统的gamma
    系数,以实现gamma非线性校正,详细过程如对步骤S3的详细说明,不赘述。

    进一步地,本发明的相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统还可包括:
    投影图生成???4,用于生成N步相移条纹投影图,并由相位测量轮廓术测量
    系统的投影装置投射到待测表面,经待测表面调制的条纹图由相位测量轮廓术
    测量系统的成像装置采集并输出,详细过程如对步骤S4的详细说明,不赘述。

    此外,投影图生成???4还可用于根据校正???3计算得到的gamma
    系数重新生成N步相移条纹投影图,详细过程如对步骤S5的详细说明,不赘
    述。

    图5是本发明提供的相位测量轮廓术测量系统的原理框图,为了便于说明,
    仅示出了与本发明相关的部分。

    本发明提供的相位测量轮廓术测量系统包括投影装置2、成像装置3、以及
    如上所述的相位测量轮廓术的gamma非线性校正系统,不赘述。

    综上所述,本发明结合经典的最小二乘相移解相位法和投影-成像装置的
    gamma模型,推导一种相位测量轮廓术测量系统的通用相位误差分布模型,进
    而基于该相位误差分布模型提出一种高效、高精度、高鲁棒性的gamma非线性
    校正方法和系统。该方法和系统有利于进一步深入的理论推导和系统误差分析,
    适用于任何步数的相移法和相应的测量要求,满足高速、高精度、高普适性的
    基于相位测量轮廓术的三维数字成像和测量的要求。

    本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是
    可以通过程序来控制相关的硬件完成,所述的程序可以在存储于一计算机可读
    取存储介质中,所述的存储介质,如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

    以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发
    明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明
    的?;し段е?。

    关 键 词:
    一种 相位 测量 轮廓 GAMMA 非线性 校正 方法 系统
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