小波變換輪廓術(shù)抑噪方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)光投影三維面形測量技術(shù)，特別是一種用于小波變換輪廓術(shù)的噪 聲抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 小波變換輪廓術(shù)是結(jié)構(gòu)光投影三維面形測量技術(shù)的一種，具有速度快、精度高、 抑噪能力強的特點，適用于實時或者動態(tài)過程中的三維面形測量。小波脊提取是小波變 換輪廓術(shù)的關(guān)鍵步驟。小波脊提取方法的抑噪能力和精度直接影響小波變換輪廓術(shù)的三 維面形測量精度和抑噪能力?，F(xiàn)有的小波脊提取方法有模極大值法（在先技術(shù)1 :李思 坤，蘇顯渝，陳文靜.二維實小波變換在空間載頻條紋相位分析中的應(yīng)用[J].光學(xué)學(xué) 報，2010, 30 (6) : 1673-1679)、參數(shù)離散化模極大值法（在先技術(shù)2:MaJ，WangZ，VoM，et al.Parameterdiscretizationintwo-dimensionalcontinuouswavelettransformfor fastfringepatternanalysis. [J].AppliedOptics, 2011，50(34) :6399-6408.)和路徑 相關(guān)法（在先技術(shù)3:AbidAZ,GdeisatMA,BurtonDR，etal.Spatialfringepattern analysisusingthetwo-dimensionalcontinuouswavelettransformemployinga costfunction. [J].AppliedOptics, 2007, 46 (24):6120-6126.)。在先技術(shù)I以及在先技 術(shù)2都使用求小波變換系數(shù)模極大值的方法來獲取小波脊，在光學(xué)條紋圖像存在較強噪聲 污染的情況下存在較大誤差，會直接導(dǎo)致恢復(fù)的三維面形存在較大誤差。在先技術(shù)3雖然 引入了與路徑相關(guān)的評價函數(shù)用以引導(dǎo)小波脊的提取，具有較強的抑噪能力，一定程度上 提高了小波變換輪廓術(shù)的抑噪能力，但是評價函數(shù)中僅僅考慮了尺度因子和平移因子，限 制了抑噪能力的提高程度，并且其實現(xiàn)方法需要多次循環(huán)搜索，速度較慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種速度快且抑噪能力強的小波變換輪廓術(shù)抑噪方法。本 方法的技術(shù)解決方案如下：
[0004] 本方法的技術(shù)解決方案如下：
[0005] -種小波變換輪廓術(shù)抑噪方法，所述方法利用的圖像獲取系統(tǒng)包括：投影系統(tǒng)、 CCD攝像機、計算機和待測物體；待測物體在投影系統(tǒng)的投影范圍之內(nèi)，待測物體在CCD攝 像機的視場之內(nèi)，所述的計算機的輸入端與所述的CCD攝像機的輸出端相連。
[0006] 所述方法包括以下步驟：
[0007] ①光學(xué)條紋圖像的采集
[0008] 投影系統(tǒng)投影正弦結(jié)構(gòu)光場至待測物體的表面。加載了數(shù)據(jù)處理程序的計算機控 制CCD攝像機從另一角度拍攝經(jīng)過被測物體調(diào)制的變形條紋圖形并存儲。設(shè)定光學(xué)條紋圖 行方向為X方向，列方向設(shè)為y方向，強度信息I'（X)如公式⑴所示：
[0009]I'（X，y) =I1(X，y) +I2(X，y)cos[2JTfx+A(J)(X，y) ]，(1)
[0010] 其中，I1S背景光強度，I2為條紋的調(diào)制強度，f為投影條紋的基頻，A(}) (x，y)為 由待測物體三維面形高度h信息引起的調(diào)制相位。
[0011] ②進行二維連續(xù)小波變換
[0012] 采用二維Morlet復(fù)小波對強度信息I'（X)進行二維連續(xù)小波變換：
[0013]
[0014] 其中，W(ux,uy,s, 9 )為小波變換系數(shù)，s為尺度因子，ux，\分別為X方向和y方 向的平移因子，Q為旋轉(zhuǎn)角度，re為旋轉(zhuǎn)矩陣，it為二維小波函數(shù)，it""為it的復(fù)共輒函 數(shù)。
[0015] ③提取小波脊
[0016] 設(shè)定一個與路徑相關(guān)的計算函數(shù)為cost，如公式（3)所示。
轉(zhuǎn)因子的梯度。計算各路徑的cost函數(shù)值。取cost函數(shù)值最小時的路徑作為最佳路徑。 最佳路徑經(jīng)過的各個位置的小波變換系數(shù)模值為小波脊。提取小波脊的具體步驟為：
[0019] 1)二維圖像經(jīng)過二維連續(xù)小波變換后得到一個四維的小波系數(shù)矩陣，取出圖像的 一行對應(yīng)的小波變換系數(shù)數(shù)據(jù)，該小波變換系數(shù)數(shù)據(jù)是一個三維矩陣，表示為A。A的三個 維度分別表示平移量u、尺度因子s和旋轉(zhuǎn)角度0，三個維度的坐標(biāo)表示為Pu，Ps，Pe。設(shè)定 每次計算連續(xù)排列的N個平移量的cost函數(shù)值，其中N的取值為大于2,小于光學(xué)條紋圖像 的行數(shù)或者列數(shù)的正整數(shù)。
[0020] 2)取出矩陣A的前N-I行的數(shù)據(jù)。分別找出各組數(shù)據(jù)的模極大值。將這些模極大值 設(shè)為前N-I行的小波脊。查找出第N-I行的小波脊在矩陣A中的坐標(biāo)，表示為（Pu。，Ps。，Pe。）。
[0021] 3)取出矩陣A中第Pu(]+1行、第Pe。頁的數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)組C。查找出C的模極大值元 素pci以及pci在矩陣A中的坐標(biāo)。設(shè)pci在矩陣A中的坐標(biāo)為（Pu(]+l，P%，Pe。）。找出元素 pc2 (Pu0+1，Psc+1，P0c)、pc3 (Pu0+1，Psc-I,PeJ、pc4 (Pu0+1，Psc,Pec+l)、pc5 (Pu0+1，Psc,P0c-I) 中模值大于等于pc模值的90%的元素。將這些元素與pc-起作為矩陣A中第PuQ+l行對 應(yīng)圖像位置小波脊的候選元素。
[0022] 4)根據(jù)公式（4)分別計算各候選元素所構(gòu)成路徑的cost函數(shù)值。
[0024] 查找cost函數(shù)值最小的路徑，并將該路徑設(shè)為最佳路徑。最佳路徑對應(yīng)的候選元 素的模值作為矩陣A中第Pu(]+1行對應(yīng)圖像位置的小波脊；將該小波脊對應(yīng)的坐標(biāo)分別賦值 給PuO,Ps〇,Pe〇。
[0025] 5)重復(fù)3)和4)，直到計算完成矩陣A中所有行的數(shù)據(jù)，得到光學(xué)條紋圖像該行的 小波脊。
[0026] 6)依次取出光學(xué)條紋圖下一行對應(yīng)的小波變換系數(shù)數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟1)至5)，得到 整個光學(xué)條紋圖像的小波脊。
[0027] 本發(fā)明的技術(shù)效果：
[0028] 1、引入了與路徑相關(guān)的評價函數(shù)用以引導(dǎo)小波脊的提取，抑噪能力更強、小波脊 提取精度更高，得到的三維物體的面形信息更加精確。在讀入的圖像上加入標(biāo)準(zhǔn)差為〇. 35 的高斯噪聲。模極大值法恢復(fù)的三維面形信息均方根誤差為〇. 9058,在先技術(shù)3方法的均 方根誤差為〇. 6395,本發(fā)明方法的均方根誤差為0. 5083.可以看出本發(fā)明相較于前兩種方 法的抑噪能力更強，獲得的物體三維面形信息更加精確。
[0029] 2、與在先技術(shù)3相比，本發(fā)明將旋轉(zhuǎn)因子納入到評價函數(shù)中，無需循環(huán)計算小波 系數(shù)矩陣所構(gòu)成的路徑即可求得波脊，得到三維物體面形信息的速度更快。圖4為本發(fā)明 與在先技術(shù)3的速度對比圖?？梢钥闯霰痉椒ǖ乃俣仁窃谙燃夹g(shù)3的2倍以上，且當(dāng)旋轉(zhuǎn) 因子數(shù)增加時，本發(fā)明的耗時增加較少，而在先技術(shù)3耗時卻增加更多，本發(fā)明的速度明顯 高于在先技術(shù)3。
【附圖說明】
[0030] 圖1為結(jié)構(gòu)光投影三維面形測量系統(tǒng)示意圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明流程圖；
[0032] 圖3為路徑選擇方法示意圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明的速度與在先技術(shù)3的對比圖。
【具體實施方式】
[0034] 為使本發(fā)明的內(nèi)容、實施過程和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明 作進一步詳細描述，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0035] 先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明所采用的光學(xué)圖像獲取系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)包括：投 影系統(tǒng)UCCD攝像機2、計算機3、待測物體4。待測物體4在投影系統(tǒng)1的投影范圍之內(nèi)， 待測物體4在CCD攝像機2的視場之內(nèi)，所述的計算機3的輸入端與所述的CCD攝像機4 的輸出端相連。
[0036] 利用本發(fā)明進行光學(xué)條紋圖像波脊提取方法流程如圖2所示，包括以下步驟：
[0037] ①光學(xué)條紋圖像的采集
[0038] 投影系統(tǒng)1投影正弦結(jié)構(gòu)光場至待測物體4的表面。加載了數(shù)據(jù)處理程序的計算 機3接收并讀取由CCD攝像機2拍攝的光學(xué)條紋圖像，圖像大小為256像素X256像素。設(shè) 定光學(xué)條紋圖行方向為X方向，列方向設(shè)為y方向，強度信息I'（X)如公式所示：
[0039]I'（X，y) =I1 (X，y) +I2 (X，y)cos[2JTfx+A(J) (X，y)]