一種基於史託克維爾變換的改進窗口傅立葉三維測量法的製作方法

2023-05-25 20:08:16 2

專利名稱：一種基於史託克維爾變換的改進窗口傅立葉三維測量法的製作方法
技術領域：
本發明屬於三維信息重構的技術領域，基於調製光柵投影，結合史託克維爾變換和窗ロ傅立葉變換法，將條紋投影輪廓術用於物體的三維測量。整個系統涉及黑白投影光柵條紋設計，計算窗ロ大小，求取相位等部分。
背景技術：
基於光學投影的三維測量，廣泛應用於產品檢測和加工控制、醫療領域、文物保護領域、航空航天領域、文化領域等。在眾多的三維測量技術中，光學三維測量技術以其非接 觸測量、實時性較好等特點成為佔主導地位的三維測量技木。光學三維測量技術是以現代光學為基礎，融光電子學，計算機圖像處理，圖形學，信號處理等科學為一體的現代測量技木。它將光學圖像作為信息檢測和存儲的實體，從圖像中獲得三維測量所需信息。相對於其它三維信息測量方法，光學測量技術具有高速度、高精度的特點，從上世紀60年代以來，得到了廣泛的研究和應用。基於編碼光柵投影的三維測量技術最具代表性，應用最為廣泛。基於光柵投影的三維測量就是將光柵圖樣投影到被測物表面，由攝像機獲取變形的光柵圖像，並由相位與高度的關係來確定出被測物體相對參考平面的高度信息。當光柵投影到物體表面上吋，周期性光柵的相位就受到物體表面高度輪廓的調製，形成變形光柵，變形光柵中帶有物體的三維信息。準確獲取變形光柵圖像的相位分布在整個三維測量過程中起著關鍵作用。通常基於光柵投影的三位測量法分為多幀處理相移法和單幀處理變換測量法。傅立葉變換輪廓術(FTP)是ー種主動式單幀測量法，最早由Takeda等提出，眾多學者對此作了深入的研究。由此開啟了傅立葉變換法在三維測量領域的新的應用。但是由於傅立葉變換(FT)是全局變換，不具有局部分析的能力，故局部的錯誤無法単獨分析解決。基於此，具有局部分析優勢的窗ロ傅立葉變換(WFT)被引入三維測量領域。局部信號分析使得信號處理結果更為精確，而其中關鍵就是前期的窗ロ選擇。窗ロ越大，頻率解析度越好而空間解析度越差；窗ロ越小，頻率解析度越差而空間解析度越好。因此窗ロ的選擇對於三維測量的精度有著重大影響。根據海森伯格測不準原理，我們不能給出ー個完全準確的窗ロ大小，但是可以不斷的優化。因此如何選取自適應窗ロ成為ー個難點，於是小波脊法等被引入三維測量，對於窗ロ大小的選擇給出了詳盡的分析，對窗ロ傅立葉測量法的精度和速度都有提高。但是由於窗ロ傅立葉處理高解析度的圖像比較緩慢，因此在實時性有要求的情況下，有必要儘量減少窗ロ大小的計算時間。由於傅立葉變換法得到的相位值是介於0-2 π的，所以需要進行相位展開得到絕對相位值。但是因為窗ロ傅立葉變換在物體高度跳變和陡峭區域一般脊法求取其窗ロ大小帶有很大誤差，導致相位求解的過程中會出現誤差，此誤差在相位展開時會影響接下來待處理點的相位展開精度，所以會導致相位展開時產生連續錯誤，即拉線現象。直接展開相位的掃描線方法速度較快，但魯棒性較弱，極易產生拉線現象。雙頻法通過投射含有兩種頻率分量的正弦光柵，經傅立葉變換濾波，得到兩種頻率下的相位值，用低頻下得到的相位值修正高頻下得到的相位值，從而修正高頻下得到的相位不連續處的錯誤值。但由於雙頻法也是用傅立葉變換求解初始相位，所以也存在著兩種頻率分量之間的頻譜混疊問題。

發明內容
技術問題針對小波變換在求取窗ロ傅立葉窗ロ大小時速度緩慢以及高度跳變和陡峭區域求取窗ロ大小誤差大的問題，本發明的目的在於不影響窗ロ大小求取準確性的前提下，解決跳變區域求取相位不準確的問題，提供一種基於史託克維爾變換的改進窗ロ傅立葉三維測量法。技術方案一種基於史託克維爾變換的窗ロ傅立葉三維測量法，其特徵在幹，具體步驟如下步驟I :將黑白條紋圖像投影到被測物體表面，使用CCD對被測物體表面進行拍攝，得到一幅高度為C、寬度為r的變形條紋圖像g(x，y)
權利要求
1. 一種基於史託克維爾變換的窗ロ傅立葉三維測量法，其特徵在於，具體步驟如下 步驟I :將黑白條紋圖像投影到被測物體表面，使用CCD對被測物體表面進行拍攝，得到一幅高度為C、寬度為r的變形條紋圖像g(x，y) g (X，y) = A (X, y) +B (X, y) cos [2 π f0x+ φ (χ, y)] 其中，Α(χ，y)是背景光強分布，B(X，y)是物體表面反射率，f0是正弦條紋頻率，Φ (x,y)是待求的相對相位分布圖，(x，y)表示變形條紋圖像的ニ維坐標， 步驟2 :對變形條紋圖逐行做史託克維爾變換，得到變形條紋圖像每一點的近似尺度因子，具體過程如下 步驟2. I :將y視為常數yi，採用一維史託克維爾變換對變形條紋圖像g(x，y)的第yi行進行處理，處理過程為 Φ, /) = [ g(x, )ωφ - χ, /) exp(-/'27r i& 其中Y1表示某一行的行號，i為複數単位，f是尺度因子，f依次取值為0.001赫茲、O. 002赫茲、O. 003赫茲、……、1赫茲，b是平移因子，b依次取值為1、2、3、……、！■，単位為像素，r為圖像寬度，獲得的ん(ろ,/)是ー個1000行r列的ニ維複數矩陣，ω (b_x，f)是史託克維爾變換窗ロ函數，窗ロ大小由尺度因子f控制，其表達式為 步驟2. 2 :求取條紋圖像的近似尺度因子分布圖fal (x, Y1) 求出ん汍/)的對應的模矩陣Cyi {bj)，捜索模矩陣Cyi (b，f)第χ列中值最大的元素，並將模矩陣Cyi ^,/)的第χ列中值最大元素的行標號賦值給amax，則= O. 001+0. OOlXamax,arx為條紋圖像的近似尺度因子分布圖fal(x，Y1)在坐標(X，Y1)處數值， 遍歷條紋圖像所有坐標點，求得條紋圖像的近似尺度因子分布圖fal(x，y)， 步驟3 :對變形條紋圖逐行做史託克維爾變換並去除史託克維爾變換脊誤差，得到變形條紋圖像每一點的準確尺度因子，具體過程如下 步驟3. I :將y視為常數yi，採用一維史託克維爾變換對變形條紋圖像g(x，y)的第yi行進行處理，處理過程為 Φ, /) = [ g(x,ス)ωφ - χ, /) exp(-/'27r i& 其中Y1表示某一行的行號，i為複數単位，f是尺度因子，f依次取值為0.001赫茲、O. 002赫茲、O. 003赫茲、……、1赫茲，b是平移因子，b依次取值為1、2、3、……、！■，単位為像素，r為圖像寬度，獲得的ろi(ろ,/)是ー個1000行r列的ニ維複數矩陣，ω (b_x，f)是史託克維爾變換窗ロ函數，窗ロ大小由尺度因子f控制，其表達式為 ^-x,/) = ^exp[- , 步驟3. 2 :去除史託克維爾變換後的變形條紋圖每一個像素點的脊誤差，處理過程為S(x, Y1) = SjS^S2+ ε 0 其中S(x，yi)為變形條紋圖中任意一像素點的史託克維爾變換簡化形式，其中Stl表示由變形條紋圖中每一點的相位ニ階導所帯來的誤差，其表達式為
全文摘要
一種新的基於史託克維爾變換的改進三維測量方法。其主要目的在於精確得求解出條紋圖像的相位分布，由相位分布得到物體的三維形貌信息。其實現步驟為將一幅黑白正弦條紋圖像投影到被測物體上。對CCD採集到的變形條紋圖像逐行進行史託克維爾變換，提取史託克維爾變換脊，然後計算並去除求取脊過程中相位二階導所帶來的誤差，最後得到精確的窗口大小矩陣。將精確窗口矩陣代入窗口傅立葉變換，經過濾波等步驟求得變形條紋圖的相對相位信息。建立條紋圖質量圖，然後採用洪水算法相位展開，得到條紋圖像的絕對相位分布。根據相位高度轉換公式由絕對相位分布獲取被測物體的三維信息。
文檔編號G01B11/25GK102620685SQ20121007942
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者董富強, 達飛鵬, 陳璋雯 申請人:東南大學