專利名稱：一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，用于對折疊的相位圖進(jìn)行快速展開，尤其解決對于存在復(fù)雜邊界、斷點(diǎn)和孔洞的各種相位圖的快速展開問題。
背景技術(shù)：
相位展開問題存在于多個(gè)學(xué)科之中，例如干涉測量、結(jié)構(gòu)照明型計(jì)量、光彈測量、全息、莫爾、電子散斑及數(shù)字散斑等光學(xué)測量技術(shù)。測量時(shí)，從光強(qiáng)方程組中提取的相位值是由反正切函數(shù)的形式表示的，計(jì)算結(jié)果得到的相位值被包裹在(-π，π)的主值區(qū)域中，從而使相位圖呈現(xiàn)階躍的不連續(xù)的相位分布圖樣。這種相位截?cái)喱F(xiàn)象是所有基于相位測量的技術(shù)都難于避免的問題，此時(shí)需要通過相位展開方法從折疊的相位圖中恢復(fù)連續(xù)的相位分布，從而得到相位分布的實(shí)際值(絕對相位)。
但是，實(shí)際測量過程中，干涉圖中的陰影、斷點(diǎn)和孔洞等奇異點(diǎn)將導(dǎo)致物體表面形貌斜率的突變，會出現(xiàn)有的區(qū)域得不到主值相位，或得到的主值相位不可靠，對于這種相位圖目前已提出了多種方法。這些方法可以被分成兩類依賴路徑的相位展開方法(K.Itoh，“Analysis of the phase unwrapping algorithm，”Appl.Opt.21，2470(1982))和不依賴路徑的相位展開方法(D.C.Ghiglia，G.A.Mastin，andL.A.Romero，“Cellular-automata method for phase unwrapping，”J.Opt.Soc.Am.A 4，267(1987))，兩者在展開速度和抗干擾性方面有很大區(qū)別。首先，前者只選擇一次起始點(diǎn)，后者每次迭代都重新選擇起始點(diǎn)；其次，前者只沿單一方向展開一次，并一次展開整行和整列，后者在四個(gè)方向上展開許多次，且每次只展開幾個(gè)點(diǎn)的小區(qū)域；第三，前者不需要迭代，而后者需要迭代；第四，前者速度快，而后者速度慢。依賴路徑的相位展開方法雖然展開速度快，但抗干擾性能力差，不依賴路徑的相位展開方法雖然抗干擾性能力強(qiáng)，但展開速度慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足而提供一種展開速度快，抗干擾性能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好的基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法。
本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達(dá)到一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，其特征在于在相位圖中指定一個(gè)相位點(diǎn)為起始展開點(diǎn)，使用依賴路徑的相位展開方法對整幅相位圖沿展開方向逐點(diǎn)從已展開相位點(diǎn)掃描展開未展開相位點(diǎn)，此后，整幅相位圖和展開方向相對旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行操作，旋轉(zhuǎn)360°完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代，如果經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代后，還有未展開的相位點(diǎn)，則重復(fù)一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代操作，直至整幅相位圖被展開。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，使整幅相位圖固定，對展開方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)90°操作。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，對展開方向進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°操作，相位展開方向分別為逐行且每行從左向右逐點(diǎn)掃描展開、逐列且每列從上向下逐點(diǎn)掃描展開、逐行且每行從右向左逐點(diǎn)掃描展開、逐列且每列從下向上逐點(diǎn)掃描展開，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，對展開方向進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°操作，相位展開方向分別為逐列且每列從下向上逐點(diǎn)掃描展開、逐行且每行從右向左逐點(diǎn)掃描展開、逐列且每列從上向下逐點(diǎn)掃描展開、逐行且每行從左向右逐點(diǎn)掃描展開，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，使展開方向固定為從左向右、從上向下、從右向左、從下向上四個(gè)方向中的一種，對整幅相位圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)90°操作。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，整幅相位圖的方位相對于原始圖方位依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°、360°，每次旋轉(zhuǎn)后，沿固定的展開方向逐點(diǎn)掃描展開，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，整幅相位圖的方位相對于原始圖方位依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°、360°，每次旋轉(zhuǎn)后，沿固定的展開方向逐點(diǎn)掃描展開，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。
本發(fā)明同已有技術(shù)相比可產(chǎn)生如下積極效果本發(fā)明使用依賴路徑的相位展開方法，在四個(gè)方向上依次展開整幅相位圖，整個(gè)過程不需要任何過程參數(shù)和條件，通過幾次迭代過程，就可將整幅相位圖展開，它結(jié)合了依賴路徑的相位展開方法和不依賴路徑的相位展開方法優(yōu)點(diǎn)，可以快速有效地展開折疊的相位圖，表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的性能，簡單、高效而且可靠，即使對于具有非常復(fù)雜邊界和孔洞的相位圖也是如此，一般只需要幾次迭代就可成功展開。
本發(fā)明可以在任何常規(guī)的計(jì)算硬件裝置上實(shí)現(xiàn)。此外，上述展開方法可以駐留在能運(yùn)算該方法的計(jì)算硬件裝置中，并通過普通的物理介質(zhì)裝載進(jìn)計(jì)算硬件裝置中。


圖1是本發(fā)明的第一種展開方法的流程圖；圖2是本發(fā)明的第一種展開方法的迭代過程示例圖；其中(a)具有復(fù)雜邊界和孔洞的原始未展開相位圖；(b)～(e)經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代掃描展開后的結(jié)果圖；(f)經(jīng)過第二次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代掃描展開后，整幅相位圖完全展開的結(jié)果圖；圖3是本發(fā)明的第二種展開方法的迭代過程示例圖。
其中(a)具有復(fù)雜邊界和孔洞的原始未展開相位圖；(b)～(e)相位圖依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，每次旋轉(zhuǎn)后，經(jīng)從上向下逐行、每行從左向右逐點(diǎn)掃描展開后，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代的結(jié)果圖；(f)相位圖進(jìn)入下一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代，相位圖被完全展開后的結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。
實(shí)施例1一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法(使整幅相位圖方位固定，對展開方向進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)操作)(參見圖1-圖2)，在實(shí)施示例中，原始未展開相位圖(圖2a，512×512像素)中的兩個(gè)陰影區(qū)(黑色區(qū)域)表示了相位圖的復(fù)雜邊界和存在的孔洞。對該圖實(shí)施相位展開的分解步驟如下1)、首先在相位圖中指定一個(gè)相位點(diǎn)為起始展開點(diǎn)。
2)、然后依次進(jìn)行以下步驟掃描整幅相位圖從上向下逐行，每行從左向右逐點(diǎn)，從已展開相位點(diǎn)掃描展開未展開相位點(diǎn)；從左向右逐列，每列從上向下逐點(diǎn)，從已展開相位點(diǎn)掃描展開未展開相位點(diǎn)；從下向上逐行，每行從右向左逐點(diǎn)，從已展開相位點(diǎn)掃描展開未展開相位點(diǎn)；從右向左逐列，每列從下向上逐點(diǎn)，從已展開相位點(diǎn)掃描展開未展開相位點(diǎn)；依次完成從四個(gè)展開方向逐點(diǎn)掃描展開為完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。如果展開過程中遇到邊界或斷點(diǎn)，則終止展開，進(jìn)入下一行或下一列的展開。見附圖2b～e。
3)、經(jīng)過上述的一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代后，整幅相位圖中仍有未展開的相位點(diǎn)(圖2e)，則進(jìn)入下一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代，重復(fù)2)步驟，再經(jīng)過一次逐列且每列從上向下逐點(diǎn)掃描展開，整幅相位圖被完全展開，相位展開過程結(jié)束。見附圖2f。
該實(shí)例是整幅相位圖方位固定，而展開方向依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°操作，當(dāng)然也可采用對展開方向進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°操作，該實(shí)例中起始的展開方向并不限定為某一固定的展開方向。
實(shí)施例2一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法(使展開方向固定，對整幅相位圖方位逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)操作)(參見圖3)，在實(shí)施示例中，原始未展開相位圖(圖3a)同實(shí)施例1，展開方向固定為逐行且每行從左向右逐點(diǎn)掃描展開，這樣做的好處是讀取文件、處理數(shù)據(jù)非常方便快捷，該方法分解步驟如下1)、首先在相位圖中指定一個(gè)相位點(diǎn)為起始展開點(diǎn)。
2)、從上向下逐行、每行從左向右逐點(diǎn)掃描展開。在展開其中一行的過程時(shí)，從已展開點(diǎn)開始逐點(diǎn)展開未展開點(diǎn)；如果展開過程中遇到邊界或斷點(diǎn)，則終止展開，進(jìn)入下一行展開。
3)、整幅相位圖方位逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。見附圖3b。
4)、重復(fù)2)～3)步驟三次，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。見附圖3c～e。
5)、經(jīng)過上述的一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代后，整幅相位圖中仍有未展開的相位點(diǎn)(圖3e)，則進(jìn)行下一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代，重復(fù)2)～4)步驟，直至整幅相位圖被完全展開。見附圖3f。
該實(shí)例是展開方向固定，而整幅相位圖方位依次進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°操作，當(dāng)然也可采用對整幅相位圖方位進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°操作，該實(shí)例中并不限定展開方向?yàn)槟骋还潭ǖ恼归_方向。
實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果表明，該相位展開方法與傳統(tǒng)的依賴路徑的和不依賴路徑的相位展開方法相比，是很可靠的，特別是對于存在復(fù)雜邊界、斷點(diǎn)和孔洞的相位圖的快速展開非常有效。更重要的是該方法非常簡單、高效，整個(gè)展開過程不需要任何過程參數(shù)和條件，即使對于展開很復(fù)雜的相位圖，一般也只需要經(jīng)過2～3次循環(huán)迭代即可完成。
權(quán)利要求
1.一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，其特征在于在相位圖中指定一個(gè)相位點(diǎn)為起始展開點(diǎn)，使用依賴路徑的相位展開方法對整幅相位圖沿展開方向逐點(diǎn)從已展開相位點(diǎn)掃描展開未展開相位點(diǎn)，此后，整幅相位圖和展開方向相對旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行操作，旋轉(zhuǎn)360°完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代，如果經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代后，還有未展開的相位點(diǎn)，則重復(fù)一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代操作，直至整幅相位圖被展開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，其特征在于使整幅相位圖固定，對展開方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)90°操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，其特征在于對展開方向進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°操作，相位展開方向分別為逐行且每行從左向右逐點(diǎn)掃描展開、逐列且每列從上向下逐點(diǎn)掃描展開、逐行且每行從右向左逐點(diǎn)掃描展開、逐列且每列從下向上逐點(diǎn)掃描展開，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，其特征在于對展開方向進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°操作，相位展開方向分別為逐列且每列從下向上逐點(diǎn)掃描展開、逐行且每行從右向左逐點(diǎn)掃描展開、逐列且每列從上向下逐點(diǎn)掃描展開、逐行且每行從左向右逐點(diǎn)掃描展開，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，其特征在于使展開方向固定為從左向右、從上向下、從右向左、從下向上四個(gè)方向中的一種，對整幅相位圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)90°操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，其特征在于整幅相位圖的方位相對于原始圖方位依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°、360°，每次旋轉(zhuǎn)后，沿固定的展開方向逐點(diǎn)掃描展開，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，其特征在于整幅相位圖的方位相對于原始圖方位依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°、360°，每次旋轉(zhuǎn)后，沿固定的展開方向逐點(diǎn)掃描展開，完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于旋轉(zhuǎn)迭代的相位展開方法，其特征在于在相位圖中指定一個(gè)相位點(diǎn)為起始展開點(diǎn)，使用依賴路徑的相位展開方法對整幅相位圖沿展開方向逐點(diǎn)從已展開相位點(diǎn)掃描展開未展開相位點(diǎn)，此后，整幅相位圖和展開方向相對旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行操作，旋轉(zhuǎn)360°完成一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代，如果經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代后，還有未展開的相位點(diǎn)，則重復(fù)一次旋轉(zhuǎn)循環(huán)迭代操作，直至整幅相位圖被展開。本發(fā)明結(jié)合了依賴路徑的相位展開方法和不依賴路徑的相位展開方法優(yōu)點(diǎn)，展開速度快，抗干擾性能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，簡單、可靠而且高效，不包含任何參數(shù)條件，對具有復(fù)雜邊界、斷點(diǎn)和孔洞的各種復(fù)雜相位圖，可在幾次迭代后就成功展開。
文檔編號G01B11/00GK101046370SQ20071001379
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日
發(fā)明者施宇清 申請人:煙臺大學(xué)