一種基於旋轉迭代的相位展開方法
2024-01-24 05:09:15
專利名稱：一種基於旋轉迭代的相位展開方法
技術領域：
本發明屬於光學技術領域，特別涉及一種基於旋轉迭代的相位展開方法，用於對摺疊的相位圖進行快速展開，尤其解決對於存在複雜邊界、斷點和孔洞的各種相位圖的快速展開問題。
背景技術：
相位展開問題存在於多個學科之中，例如幹涉測量、結構照明型計量、光彈測量、全息、莫爾、電子散斑及數字散斑等光學測量技術。測量時，從光強方程組中提取的相位值是由反正切函數的形式表示的，計算結果得到的相位值被包裹在(-π，π)的主值區域中，從而使相位圖呈現階躍的不連續的相位分布圖樣。這種相位截斷現象是所有基於相位測量的技術都難於避免的問題，此時需要通過相位展開方法從摺疊的相位圖中恢復連續的相位分布，從而得到相位分布的實際值(絕對相位)。
但是，實際測量過程中，幹涉圖中的陰影、斷點和孔洞等奇異點將導致物體表面形貌斜率的突變，會出現有的區域得不到主值相位，或得到的主值相位不可靠，對於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幹擾性方面有很大區別。首先，前者只選擇一次起始點，後者每次迭代都重新選擇起始點；其次，前者只沿單一方向展開一次，並一次展開整行和整列，後者在四個方向上展開許多次，且每次只展開幾個點的小區域；第三，前者不需要迭代，而後者需要迭代；第四，前者速度快，而後者速度慢。依賴路徑的相位展開方法雖然展開速度快，但抗幹擾性能力差，不依賴路徑的相位展開方法雖然抗幹擾性能力強，但展開速度慢。
發明內容
本發明的目的在於克服上述已有技術的不足而提供一種展開速度快，抗幹擾性能力強，穩定性好的基於旋轉迭代的相位展開方法。
本發明的目的可以通過如下措施來達到一種基於旋轉迭代的相位展開方法，其特徵在於在相位圖中指定一個相位點為起始展開點，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從已展開相位點掃描展開未展開相位點，此後，整幅相位圖和展開方向相對旋轉90°進行操作，旋轉360°完成一次旋轉循環迭代，如果經過一次旋轉循環迭代後，還有未展開的相位點，則重複一次旋轉循環迭代操作，直至整幅相位圖被展開。
為了進一步實現本發明的目的，使整幅相位圖固定，對展開方向進行旋轉90°操作。
為了進一步實現本發明的目的，對展開方向進行順時針旋轉90°操作，相位展開方向分別為逐行且每行從左向右逐點掃描展開、逐列且每列從上向下逐點掃描展開、逐行且每行從右向左逐點掃描展開、逐列且每列從下向上逐點掃描展開，完成一次旋轉循環迭代。
為了進一步實現本發明的目的，對展開方向進行逆時針旋轉90°操作，相位展開方向分別為逐列且每列從下向上逐點掃描展開、逐行且每行從右向左逐點掃描展開、逐列且每列從上向下逐點掃描展開、逐行且每行從左向右逐點掃描展開，完成一次旋轉循環迭代。
為了進一步實現本發明的目的，使展開方向固定為從左向右、從上向下、從右向左、從下向上四個方向中的一種，對整幅相位圖進行旋轉90°操作。
為了進一步實現本發明的目的，整幅相位圖的方位相對於原始圖方位依次順時針旋轉90°、180°、270°、360°，每次旋轉後，沿固定的展開方向逐點掃描展開，完成一次旋轉循環迭代。
為了進一步實現本發明的目的，整幅相位圖的方位相對於原始圖方位依次逆時針旋轉90°、180°、270°、360°，每次旋轉後，沿固定的展開方向逐點掃描展開，完成一次旋轉循環迭代。
本發明同已有技術相比可產生如下積極效果本發明使用依賴路徑的相位展開方法，在四個方向上依次展開整幅相位圖，整個過程不需要任何過程參數和條件，通過幾次迭代過程，就可將整幅相位圖展開，它結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點，可以快速有效地展開摺疊的相位圖，表現出了更加優異的性能，簡單、高效而且可靠，即使對於具有非常複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。
本發明可以在任何常規的計算硬體裝置上實現。此外，上述展開方法可以駐留在能運算該方法的計算硬體裝置中，並通過普通的物理介質裝載進計算硬體裝置中。
圖1是本發明的第一種展開方法的流程圖；圖2是本發明的第一種展開方法的迭代過程示例圖；其中(a)具有複雜邊界和孔洞的原始未展開相位圖；(b)～(e)經過一次旋轉循環迭代掃描展開後的結果圖；(f)經過第二次旋轉循環迭代掃描展開後，整幅相位圖完全展開的結果圖；圖3是本發明的第二種展開方法的迭代過程示例圖。
其中(a)具有複雜邊界和孔洞的原始未展開相位圖；(b)～(e)相位圖依次逆時針旋轉90°，每次旋轉後，經從上向下逐行、每行從左向右逐點掃描展開後，完成一次旋轉循環迭代的結果圖；(f)相位圖進入下一次旋轉循環迭代，相位圖被完全展開後的結果圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細闡述。
實施例1一種基於旋轉迭代的相位展開方法(使整幅相位圖方位固定，對展開方向進行順時針旋轉操作)(參見圖1-圖2)，在實施示例中，原始未展開相位圖(圖2a，512×512像素)中的兩個陰影區(黑色區域)表示了相位圖的複雜邊界和存在的孔洞。對該圖實施相位展開的分解步驟如下1)、首先在相位圖中指定一個相位點為起始展開點。
2)、然後依次進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，從已展開相位點掃描展開未展開相位點；從左向右逐列，每列從上向下逐點，從已展開相位點掃描展開未展開相位點；從下向上逐行，每行從右向左逐點，從已展開相位點掃描展開未展開相位點；從右向左逐列，每列從下向上逐點，從已展開相位點掃描展開未展開相位點；依次完成從四個展開方向逐點掃描展開為完成一次旋轉循環迭代。如果展開過程中遇到邊界或斷點，則終止展開，進入下一行或下一列的展開。見附圖2b～e。
3)、經過上述的一次旋轉循環迭代後，整幅相位圖中仍有未展開的相位點(圖2e)，則進入下一次旋轉循環迭代，重複2)步驟，再經過一次逐列且每列從上向下逐點掃描展開，整幅相位圖被完全展開，相位展開過程結束。見附圖2f。
該實例是整幅相位圖方位固定，而展開方向依次順時針旋轉90°操作，當然也可採用對展開方向進行逆時針旋轉90°操作，該實例中起始的展開方向並不限定為某一固定的展開方向。
實施例2一種基於旋轉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針旋轉操作)(參見圖3)，在實施示例中，原始未展開相位圖(圖3a)同實施例1，展開方向固定為逐行且每行從左向右逐點掃描展開，這樣做的好處是讀取文件、處理數據非常方便快捷，該方法分解步驟如下1)、首先在相位圖中指定一個相位點為起始展開點。
2)、從上向下逐行、每行從左向右逐點掃描展開。在展開其中一行的過程時，從已展開點開始逐點展開未展開點；如果展開過程中遇到邊界或斷點，則終止展開，進入下一行展開。
3)、整幅相位圖方位逆時針旋轉90°。見附圖3b。
4)、重複2)～3)步驟三次，完成一次旋轉循環迭代。見附圖3c～e。
5)、經過上述的一次旋轉循環迭代後，整幅相位圖中仍有未展開的相位點(圖3e)，則進行下一次旋轉循環迭代，重複2)～4)步驟，直至整幅相位圖被完全展開。見附圖3f。
該實例是展開方向固定，而整幅相位圖方位依次進行逆時針旋轉90°操作，當然也可採用對整幅相位圖方位進行順時針旋轉90°操作，該實例中並不限定展開方向為某一固定的展開方向。
實際實驗效果表明，該相位展開方法與傳統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，特別是對於存在複雜邊界、斷點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，整個展開過程不需要任何過程參數和條件，即使對於展開很複雜的相位圖，一般也只需要經過2～3次循環迭代即可完成。
權利要求
1.一種基於旋轉迭代的相位展開方法，其特徵在於在相位圖中指定一個相位點為起始展開點，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從已展開相位點掃描展開未展開相位點，此後，整幅相位圖和展開方向相對旋轉90°進行操作，旋轉360°完成一次旋轉循環迭代，如果經過一次旋轉循環迭代後，還有未展開的相位點，則重複一次旋轉循環迭代操作，直至整幅相位圖被展開。
2.根據權利要求1所述的一種基於旋轉迭代的相位展開方法，其特徵在於使整幅相位圖固定，對展開方向進行旋轉90°操作。
3.根據權利要求2所述的一種基於旋轉迭代的相位展開方法，其特徵在於對展開方向進行順時針旋轉90°操作，相位展開方向分別為逐行且每行從左向右逐點掃描展開、逐列且每列從上向下逐點掃描展開、逐行且每行從右向左逐點掃描展開、逐列且每列從下向上逐點掃描展開，完成一次旋轉循環迭代。
4.根據權利要求2所述的一種基於旋轉迭代的相位展開方法，其特徵在於對展開方向進行逆時針旋轉90°操作，相位展開方向分別為逐列且每列從下向上逐點掃描展開、逐行且每行從右向左逐點掃描展開、逐列且每列從上向下逐點掃描展開、逐行且每行從左向右逐點掃描展開，完成一次旋轉循環迭代。
5.根據權利要求1所述的一種基於旋轉迭代的相位展開方法，其特徵在於使展開方向固定為從左向右、從上向下、從右向左、從下向上四個方向中的一種，對整幅相位圖進行旋轉90°操作。
6.根據權利要求5所述的一種基於旋轉迭代的相位展開方法，其特徵在於整幅相位圖的方位相對於原始圖方位依次順時針旋轉90°、180°、270°、360°，每次旋轉後，沿固定的展開方向逐點掃描展開，完成一次旋轉循環迭代。
7.根據權利要求5所述的一種基於旋轉迭代的相位展開方法，其特徵在於整幅相位圖的方位相對於原始圖方位依次逆時針旋轉90°、180°、270°、360°，每次旋轉後，沿固定的展開方向逐點掃描展開，完成一次旋轉循環迭代。
全文摘要
本發明公開了一種基於旋轉迭代的相位展開方法，其特徵在於在相位圖中指定一個相位點為起始展開點，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從已展開相位點掃描展開未展開相位點，此後，整幅相位圖和展開方向相對旋轉90°進行操作，旋轉360°完成一次旋轉循環迭代，如果經過一次旋轉循環迭代後，還有未展開的相位點，則重複一次旋轉循環迭代操作，直至整幅相位圖被展開。本發明結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點，展開速度快，抗幹擾性能力強，穩定性好，簡單、可靠而且高效，不包含任何參數條件，對具有複雜邊界、斷點和孔洞的各種複雜相位圖，可在幾次迭代後就成功展開。
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 優先權日2007年3月12日
發明者施宇清 申請人:煙臺大學