相移法相位測量輪廓術可調參數(shù)的優(yōu)化選用方法
【專利說明】相移法相位測量輪廓術可調參數(shù)的優(yōu)化選用方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學三維測量領域，涉及一種基于恒定相位投影技術的相移法條紋投 影三維測量輪廓術的投影與采樣環(huán)節(jié)可調參數(shù)的優(yōu)化選用方法。 【【背景技術】】
[0002] 三維測量是工業(yè)加工、檢測中的必須環(huán)節(jié)，對于保證產(chǎn)品質量有著重要意義。同 時，它在逆向工程、3D打印等領域也有著廣泛應用。近年來，隨著科技的發(fā)展，對三維測量的 要求也逐步提高，對全場三維測量的需求越來越廣泛。基于條紋投影的相位測量輪廓術，由 于其測量精度較高、速度快、點云密集，近三十年來得到了快速發(fā)展與廣泛應用。其中相移 法相位測量輪廓術，與其它條紋投影相位測量輪廓術相比測量精度更高、對測量表面適應 性更強，實際應用更為廣泛。
[0003] 相移法相位測量輪廓術中的主要可調參數(shù)包括條紋幅值、條紋背景項、相移步數(shù) 等?？烧{參數(shù)優(yōu)化選用的目的是用最短的測量時間得到滿足測量精度要求的解調相位。雖 然近些年來相移法相位測量輪廓術得到了廣泛而深入的研究，但是在關于其投影與采樣環(huán) 節(jié)可調參數(shù)優(yōu)化選用上的系統(tǒng)研究工作卻較少。
[0004] 已有的一些研究工作大多集中在對某個參數(shù)的優(yōu)化選用上。文獻《Maximum SNR pattern strategy for phase shifting methods in structured light illumination)) 述及了解調相位中隨機噪聲的傳統(tǒng)去除方法一一提高采樣次數(shù)，文章中采用了 2000次 采樣的策略用于消除隨機噪聲D文獻《Gamma model and its analysis for phase measuring profilometry》通過理論分析得到了相移步數(shù)對解調相位精度影響的理論模 型，通過該模型指出了相移步數(shù)越多解調相位精度越高這一測量規(guī)律。文獻《Generic gamma correction for accuracy enhancement in fringe-projection profilometry)) 在利用《Phase error analysis and compensation for nonsinusoidal waveforms in phase-shifting digital fringe projection profilometry〉〉中部分推論的基石出上，通過 理論分析得出：采用七步相移法能夠非常精確地求解得到解調相位。這些研究工作在實際 應用中都是很有價值的，對于相關參數(shù)的選用有著良好的指導意義。但是上述方法也存在 一些問題：首先，有些結論的得出是建立在一定的假設下的，而這些假設在實際測量中未必 完全成立；其次，它們都無法給出在選定參數(shù)下解調相位的量化誤差，從而無法對所選條件 下的相位解調精度進行評價也無法實現(xiàn)對相應參數(shù)的快速優(yōu)化選用。現(xiàn)在仍舊沒有一種簡 便、有效的相移法相位測量輪廓術可調參數(shù)的全面優(yōu)化選用方法。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種相移法相位測量輪廓術可調參數(shù)的優(yōu)化選用方法，以 實現(xiàn)對相移法相位測量輪廓術主要可調參數(shù)的優(yōu)化選用，從而克服現(xiàn)有技術存在的不足。 本方法的核心是：保持其它參數(shù)不變，控制一個或多個可調參數(shù)按照測量需求變化，同時編 碼生成對應于可調參數(shù)各個值的恒定相位圖并采樣；解調得到采樣圖像的相位值，并進行 相位誤差求解；分析相位誤差隨可調參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)該變化規(guī)律以及實際測量需求 即可判定該參數(shù)的優(yōu)化選用值。由于相移法相位測量輪廓術的相位解調是逐像素點進行 的，采用恒定相位圖求得的優(yōu)化選用參數(shù)即可作為實際測量時條紋圖的優(yōu)化選用參數(shù)。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0007] 相移法相位測量輪廓術可調參數(shù)的優(yōu)化選用方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :確定待評價的可設定參數(shù)P，并給定所有可設定參數(shù)的初值；
[0009] 步驟2 :采用恒定相位投影技術求解得到待評價參數(shù)的解調相位誤差；
[0010] 步驟3 :改變待評價的可設定參數(shù)值，其他可設定參數(shù)值不變，重復步驟2,得到待 評價參數(shù)在不同設定值下的解調相位誤差；
[0011] 步驟4 :根據(jù)解調相位誤差統(tǒng)計特征得到滿足測量要求或者測量效果達到最優(yōu)時 被評價參數(shù)的設定值，這些值便是被評價參數(shù)實際測量中可選用的值，選取滿足測量要求 且成本最低的被評價參數(shù)設定值作為該參數(shù)的優(yōu)化選用值。
[0012] 進一步的，所述可設定參數(shù)包括條紋背景項、條紋幅值、采樣數(shù)、相移步數(shù)、被測物 體表面反射率、相機曝光時間。
[0013] 進一步的，所述步驟2的具體方法為：針對待評價的可設定參數(shù)的給定值，確定 其恒定相位圖，然后將該恒定相位圖投影到待測量表面，采樣圖像，計算采樣圖像的解調相 位，將該解調相位對應的解包裹相位與恒定相位圖設定的相位相減，即得解調相位誤差。
[0014] 進一步的，恒定相位圖根據(jù)以下公式計算：
[0015]
[0016] 其中，a為條紋背景項，b為條紋幅值，X、y為像素坐標；Φ是初相位，N為相移步 數(shù)，P為待評價參數(shù)；
[0017] 所述解調相位根據(jù)以下公式計算：
[0018]
[0019] 其中，為采樣圖像的灰度。
[0020] 進一步的，當評價參數(shù)為背景項a，幅值b，采樣次數(shù)，被測物體表面反射率，或者 曝光時間時，Φ可以取任意值，但其優(yōu)化選用值為〇°，當評價參數(shù)為相移步數(shù)N時，Φ的 取值范圍為保證gamma效應引起的相位誤差絕對值最大時的相位值。
[0021] 進一步的，步驟4中確定解調相位誤差統(tǒng)計特性的方法主要包括相位誤差的均方 根誤差及相位誤差絕對值最大值。
[0022] 進一步的，步驟4中確定解調相位誤差統(tǒng)計特性的方法為：當待評價參數(shù)為條紋 幅值、條紋背景項，采樣次數(shù)，被測物體表面反射率，或者曝光時間時，采用解調相位誤差的 均方根誤差，當待評價參數(shù)為相移步數(shù)時，采用相位誤差絕對值的最大值。
[0023] 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明是基于實驗的，并非基于建立 在某種假設下的數(shù)學模型，能夠直接測定各個參數(shù)取值對解調相位精度帶來的真實影響， 并且能夠提供量化結果；本發(fā)明能夠綜合評定條紋背景項、條紋幅值、曝光時間及相移步數(shù) 等可調參數(shù)對測量精度的影響，進而對這些參數(shù)做出整體的優(yōu)化選用，提高測量精度；本發(fā) 明的實施不需要任何輔助儀器，在實際應用中更為實用。 【【附圖說明】】
[0024] 圖1為采樣得到的不同幅值下的設定相位為0的恒定相位圖，設定幅值分別為 (a)10、（b)20、（c)30、（d)50、（e)70、（f)90、（g)100 ;
[0025] 圖2為對應于圖I所示采樣圖像的解調相位誤差的三維圖，其對應恒定相位圖的 幅值分別為（a) 10、（b) 20、（c) 30、（d) 50、（e) 70、（f) 90、（g) 100 ;這里坐標未明確標示，x、y 坐標為像素，z坐標為解調相位相位誤差值，單位為弧度；
[0026] 圖3為采用本發(fā)明所述方法實測得到的解調相位均方根誤差隨條紋幅值的變化 曲線圖。 【【具體實施方式】】
[0027] 本發(fā)明公開了一種相移法相位測量輪廓術可調參數(shù)的優(yōu)化選用方法，包括以下步 驟：
[0028] 步驟1 :保持測量中的其它可設定參數(shù)不變，按照實際測量需求更改某一個或多 個需要評價參數(shù)的設定值；
[0029] 步驟2 :采用恒定相位投影技術求解得到被評價參數(shù)在不同設定值下的解調相位 誤差；
[0030] 步驟3 :分析得到解調相位誤差統(tǒng)計特性滿足測量要求或者達到最優(yōu)值時被評價 參數(shù)的設定值，這些值便是被評價參數(shù)實際測量中可選用的值，選取滿足測量要求且成本 最低的被評價參數(shù)設定值作為該參數(shù)的優(yōu)化選用值。
[0031] 步驟1中所述的可設定參數(shù)包括但不限于條紋背景項、條紋幅值、采樣數(shù)、相移步 數(shù)、被測物體表面反射率、相機曝光時間等參數(shù)。當然由于采用了恒定相位條紋圖，個別可 調參數(shù)無法通過該方法進行優(yōu)化選用，比如條紋周期。
[0032] 假設需要評價參數(shù)P，按照步驟1所述，保持其它參數(shù)不變，調節(jié)P的值，同時針對 每個參數(shù)P，按照步驟2編碼生成如下恒定相位圖：
[0033]
[0034] 其中，a為條紋背景項，b為條紋幅值，X、y坐標為像素；Φ是一設定的相位值，N 為相移