一种减少相位测量轮廓术中多路径效应影响的方法

摘要

本发明涉及如何减小在使用相位测量轮廓术进行三维测量时多路径效应引起的相位误差。使用传统相位测量轮廓术（Phase measuring profilometry,PMP）系统即可，用传统PMP算法得到亮度调制参数，对其进行差异计算后得到差异分布情况，从差异分布情况中确定受多路径效应影响严重的部分，然后根据其他部分的相位值估算受影响严重部分的相位值，最后使用校正后的相位值计算三维数据。本发明在传统PMP算法中进行了改进，避免了引入外来模型可能导致的不确定性误差和额外影响，并且方法直接有效，能全面的减小各方向的相位误差，提高了三维测量的准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及光学三维测量技术领域，特别是采用相位测量轮廓术的三维测量。

技术背景

本发明涉及一种实时光学三维测量方法，即相位测量轮廓术（phase measuring profilometry, PMP），它是广泛应用于各领域三维测量的方法，具有测量速度快，测量精度高的特点。相位测量轮廓术属于光学投影式三维轮廓术，通过投影位置、图像捕捉位置与测量物体位置构成的三角关系确定被测物的三维深度信息。其测量系统主要由投影机、照相机和计算机处理单元构成。系统通过投影机投射若干正弦编码的光栅图到被测物体表面，同时照相机捕捉被测物体表面由物体形状引起变形的正弦光栅图形，然后计算机处理单元对所得数字光学信息进行运算从而得到被测物体表面的三维深度信息。

照相机的多路径效应是指，照相机中的电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）可以实现将光信号转换为电信号，而照相机的数字成像过程可看做是一个积分的过程，同时由于CCD元件上的各单元尺寸并不可能与每个光子一样，所以在这个数字积分成像的过程中，各像素点的光强信息就必然包含其周围其他像素点的光强信息，从而导致最终计算得到的测量结果存在误差，影响测量精度。Xiang Zhou等人在论文“Effect of the modulation transfer function of a digital image-acquisition device on phase-measuring profilometry [J]. APPLIED OPTICS, 1994, 33(35): 8210-8215 ”中将照相机的多路径效应通过调制传递函数（Modulation Transfer Function, MTF）进行了描述，并给出了新的相位测量方法和相位误差公式。 文献“许晓畅, 王永昌, 刘凯. 多路径模型对相位测量轮廓术的影响[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2014, 26(4)”提出多路径效应这一概念，初步研究了多路径效应的出现情况和产生原因，采用了一种3×3的平滑掩膜代入传统PMP方法的表达式以模拟多路径效应对获取的光信号的影响，然后使用了一种相位融合的方法进行相位误差修正。其方法的不足主要表现在：（1）没有确切的实验证明平滑掩膜能够真实还原多路径效应带来的影响，直接使用  3×3的平滑掩膜进行模拟，这样的模型套用准确度不高；（2）从实验结果可以看出，相位融合算法在某些特定的方向上实现了一定的修正相位误差，而在其他方向上仍然存在一定误差，没有完整的解决多路径效应带来的影响。应用本发明的提及的方案，可以避免引入外来模型可能导致的不确定性误差和额外误差，并且方法直接有效，能全面的修正各方向的相位误差，保证了较高的准确度和可行性。

发明内容

本发明的目的是针对照相机数字成像过程中存在的多路径效应引起PMP测量结果出现误差的问题，提出一种有效确定误差范围，并由此对误差部分实现修正的方法。

为实现本发明的目的，本发明提供了以下技术方案：

直接利用传统PMP系统进行被测物体的三维测量，在得到的数字信息中，对亮度调制参数进行差异计算，根据差异情况对被测物的数字信息进行有效范围筛选，从而确定存在误差的区域。针对误差区域，由于与其邻近像素点具有的线性连续关系，通过利用有效区域的像素点的相位值来确定误差像素点的相位值，最后利用传统PMP方法的三维计算得到三维数据。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

本发明可以有效减小多路径效应引起的相位误差，提高PMP三维测量结果的精准度。本发明在传统PMP方法的基础上进行了改进，避免了使用其他模板可能带来的不确定误差和额外影响，保证了测量数据的可靠性，并且可以实现各方向上相位误差校正，方法直接有效，相比传统PMP方法能使测量结果达到具有更高的精准度。

 附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本实例中使用传统相位测量轮廓术重建得到的目标的正视图和局部侧视图；

图3是使用了本发明的方法后重建得到的目标正视图和局部侧视图。

具体实施方式

为了使发明的目的、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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所用三维测量系统中使用的设备包括一台CASIO XJ-A155V型投影机、Prosilica GC650C型照相机以及一台普通计算机组成。其中，投影机的分辨率是800×600，照相机的分辨率是640×480。

本实例的具体实施步骤如下：

（1）    搭建三维测量系统，调节照相机使其能够捕捉到校准用标靶的全貌，然后，调节投影机的位置、焦距等以确保投出的PMP模板显示清晰正确，能完全覆盖标靶和被测物体，同时调节照相机的光圈、曝光时间等参数排除镜头上溢下溢的影响，保证抓捕图像的清晰，最后通过校准三维测量系统得到照相机的参数矩阵和投影机的参数矩阵。

（2）    利用公式（1）计算照相机抓捕图像的亮度调制参数：

，                    （1）

其中，是抓捕到的图像的亮度情况，是亮度调制参数，是所用的正弦光栅图片的总数。

（3）    计算亮度调制参数的差异情况。在实例中我们计算得到的亮度调制参数是一个480×640的矩阵，使用矩阵的后一行与前一行比较得到亮度参数差异值，即前向差分操作，具体做法可由公式（2）表示：

，                                   （2）

其中，是亮度调制差异的第i行，和分别是亮度调制参数的第i+1行和第i行。这样的操作后，用一个零行补给B作其第一行，使之保持480×640的矩阵形式。

（4）    使用得到的亮度调制差异，B，对初步计算得到的相位情况进行筛选。由于在颜色变化明显的边缘部分亮度调制参数变化大，差异计算后得到的差值也较大，而在颜色变化平缓的部分得到的差值很小，所以利用差值的大小，设置阈值（本实例中为3），将受多路径效应影响大的部分置为0，其他部分置为1进行二值化后得到，再作用于初步计算的相位值，进行公式（3）的操作滤除受多路径效应影响大的部分：

    ，                      （3）

其中，是初步计算得到的相位值，是去除了受多路径效应影响严重的部分后的相位值。此时受多路径效应影响严重的部分的相位值为0，其余部分相位值保持不变。

（5） 对于中相位值为0的像素点，在其所在矩阵列的位置的前和后各找一个相位值非零的像素点，根据它们的相位成线性关系估算0值像素点的相位值，即线性插值计算相位值，具体可由公式（4）表达：

，                  （4）

其中，、、分别是像素点、、的相位值。

（6） 使用校正后得到的相位值带入传统PMP方法的三维重建计算就可以得到更接近真实情况的三维结果。

以上所述实例仅为本发明的较佳结果而已，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保护范围之内。