專利名稱：一種光學(xué)三維測(cè)量中的自適應(yīng)窗口傅里葉相位提取法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維信息重構(gòu)的領(lǐng)域。基于灰度正弦光柵投影，采用希爾伯特-黃變換法分析變形條紋圖像并求得條紋的瞬時(shí)頻率及背景分量，用所求的瞬時(shí)頻率自適應(yīng)計(jì)算窗口傅里葉變換的窗口尺度因子，通過對(duì)去除背景的條紋信號(hào)直接做傅里葉變換或自適應(yīng) 窗口傅里葉變換從而得到精確的包裹相位，這種方法有利于提高對(duì)形貌復(fù)雜物體或攜帶陡峭邊緣物體的測(cè)量精度。
背景技術(shù)：
光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)能夠準(zhǔn)確獲得物體的三維面形數(shù)據(jù)，可用于三維模型重建、物體表面輪廓測(cè)量、工業(yè)環(huán)境中的尺寸和形位參數(shù)的檢測(cè)等，因此它在虛擬現(xiàn)實(shí)、影視特技、醫(yī)學(xué)整形和美容、工業(yè)產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)、藝術(shù)雕塑和文物保護(hù)等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。光柵投影法是一種重要的三維測(cè)量技術(shù)，通過向物體表面投射正弦光柵，將物體的高度信息以相位的形式隱含在光柵中，利用CCD獲得物體表面的光柵條紋圖像，并使用特定算法對(duì)條紋圖像進(jìn)行處理，提取其中的相位，從而建立物體的三維信息。常用的求解條紋圖像相位的方法有基于時(shí)間域的方法和基于變換域的方法?；谧儞Q域的方法由于只需采集一幅變形條紋圖即可完成相位的測(cè)量，有利于實(shí)現(xiàn)物體的動(dòng)態(tài)測(cè)量，因此而被廣泛研究和應(yīng)用，其中包括傅里葉變換法、小波變換法、S變換法、窗口傅里葉變換法等。傅里葉變換是一種全局的信號(hào)分析工具，不能提取局部信號(hào)的特征，只適用于平穩(wěn)信號(hào)。近年來，各種時(shí)頻分析技術(shù)被廣泛研究以期能夠準(zhǔn)確獲取條紋圖像的細(xì)節(jié)相位信息。連續(xù)小波變換由于具有多分辨率分析的特性被引入光學(xué)三維測(cè)量領(lǐng)域，通過檢測(cè)小波變換最大脊處的相位，得到變形條紋圖的包裹相位。但是這種方法有個(gè)前提條件，即被檢測(cè)的相位必須是近似線性變化且變化緩慢，否則該方法的理論推導(dǎo)是不成立的。同時(shí)，小波母函數(shù)及相關(guān)參數(shù)的選取沒有成熟的理論依據(jù)，也為小波變換輪廓術(shù)的廣泛應(yīng)用帶來了限制。S變換與小波變換求解條紋圖包裹相位的原理高度相似，故它也不可避免的受到與小波變換同樣的條件限制。窗口傅里葉變換也具有較好的時(shí)頻分析性能，但窗口尺寸即窗口尺度因子的自適應(yīng)選取一直是研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的選取窗口尺度因子的方法大都是先通過連續(xù)小波變換或S變換檢測(cè)最大脊處的尺度因子，將該尺度因子直接作為窗口傅里葉的尺度因子，或?qū)⒃摮叨纫蜃尤〉箶?shù)作為條紋信號(hào)的瞬時(shí)頻率，再通過相關(guān)算法計(jì)算窗口的尺度因子。這些方法需要事先設(shè)定基函數(shù)及經(jīng)驗(yàn)值，因此自適應(yīng)性不好，同時(shí)也同樣受到被檢測(cè)相位前提條件的限制，使求解的尺度因子或瞬時(shí)頻率過平滑化，而不能很好的描述條紋信號(hào)的局部特征，從而導(dǎo)致這些方法只能測(cè)量表面變化相對(duì)平滑的物體，而對(duì)表面變化復(fù)雜或含有陡峭邊緣物體的測(cè)量會(huì)受到較大限制。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題針對(duì)光學(xué)三維測(cè)量中窗口傅里葉變換求取條紋圖包裹相位的精確性和自適應(yīng)性等問題，本發(fā)明在自適應(yīng)進(jìn)行窗口傅里葉變換及提高包裹相位的求解精度等方面給出了解決辦法。本方法借助希爾伯特-黃變換，精確且自適應(yīng)地求解能準(zhǔn)確描述條紋圖變化情況的瞬時(shí)頻率，從而自適應(yīng)計(jì)算窗口傅里葉變換的窗口尺度，同時(shí)，在不需要額外計(jì)算的情況下可以有效去除條紋圖的背景分量從而大大減少窗口傅里葉變換處理過程中零頻頻譜的干擾。本方法能大大提高對(duì)復(fù)雜面形或含有陡峭邊緣物體的測(cè)量精度。技術(shù)方案一種光學(xué)三維測(cè)量中的自適應(yīng)窗口傅里葉相位提取法，步驟如下步驟I :將灰度正弦條紋圖投影到被測(cè)物體表面，用CCD對(duì)被測(cè)物體表面進(jìn)行拍攝，得到一幅寬度為C、高度為I的變形條紋圖像g(y，X)
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)三維測(cè)量中的自適應(yīng)窗口傅里葉相位提取法，具體步驟如下 步驟I :將灰度正弦條紋圖投影到被測(cè)物體表面，用CCD對(duì)被測(cè)物體表面進(jìn)行拍攝，得到一幅寬度為C、高度為I的變形條紋圖像g(y，X)g (y，χ) = A (y, x) +B (y, x) cos [2 π f0x+ φ (y, χ)]， 其中，A(y，x)是背景分量，B(y，x)是物體表面反射率，&是正弦條紋基頻，Φ (y, χ)是待求的包裹相位分布，(y，x)表示變形條紋圖像中各像素點(diǎn)的二維坐標(biāo)，取值范圍分別為I彡y彡I, I彡χ彡c, B(y, x)cos[2 >+Φ (y, χ)]為基頻分量,此處將每個(gè)像素點(diǎn)看作一個(gè)信號(hào)；步驟2:令y = Ln= 1，用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥碋MD對(duì)g(y，x)進(jìn)行分解，方法如下步驟2. I :將g(y，χ)記為一行信號(hào)g(x)，其中χ仍然滿足I < χ < C，該行信號(hào)的相位為0 00，尋找800的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，分別采用公知的三次樣條插值法對(duì)這些極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)進(jìn)行插值，然后將這些值連接得到極大值包絡(luò)線gmax (X)和極小值包絡(luò)線gmin (x)； 步驟2. 2 :用原始信號(hào)g(x)減去極大值包絡(luò)線gmax(X)與極小值包絡(luò)線gmin(x)的平均值，得到h (χ)h{x) = g(x) - gmax(X);gmm(X)； 步驟2. 3 :分別計(jì)算h (χ)的平均幅度mean_amp (χ)和包絡(luò)幅度env_amp (χ) mean amp(x)=丨 gmax(X):gmm(X)l ,env amp(x)=丨 gmax ⑷;gmm (X)丨； 步驟2. 4 :如果h(x)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件，則得到一個(gè)本征模函數(shù)頂F，記為Sn(X)，且sn(χ) = h(χ),同時(shí)將Sn(X)從原信號(hào)g(χ)中分離，得到新的信號(hào)g' (X) = g(x)-sn(x),否則，直接將h(x)從原信號(hào)g(x)中分離，得到新的信號(hào)g' (x) = g(x)_h(X)，所述的三個(gè)條件是條件 I :mean_amp (χ)/env_amp (χ) < O. 5, 條件2 :滿足不等式mean_amp(x)/env_amp(x) < O. 5的像素個(gè)數(shù)占同一整行像素總數(shù)的比例小于O. 05， 條件3 :極大值和極小值的個(gè)數(shù)之和與h(x)過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等或至多相差I(lǐng)個(gè)， 步驟2. 5:若步驟2. 4得到的g' (χ)也同時(shí)滿足以上三個(gè)條件，令g(χ) = g' (x)，n= n+l，返回步驟2. I;否則分解停止，并將g' (χ)記為res (X)，得到最后的分解結(jié)果為 N g(x) = TjSn(X) + res(x), M=I 其中η為一個(gè)MF即s (χ)的序數(shù)，I彡η彡N，N為MF的總個(gè)數(shù)； 步驟3 :通過希爾伯特-黃變換，確定能夠準(zhǔn)確描述一行條紋信號(hào)變化規(guī)律的瞬時(shí)頻率，具體過程如下 步驟3. I :對(duì)第η個(gè)IMF即Sn(X)做希爾伯特變換，得到 sn '(χ) = ^ (χ)* —= — ,πχ π、-⑴ χ — τ其中為卷積運(yùn)算符，τ為積分變量，Sn' (X)為希爾伯特變換的結(jié)果，分別構(gòu)造Sn(X)的解析信號(hào)Zn(X):
全文摘要
一種光學(xué)三維測(cè)量中的自適應(yīng)窗口傅里葉相位提取法，是對(duì)灰度正弦光柵條紋圖進(jìn)行處理(1)將一行條紋信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到一系列本征模函數(shù)。(2)計(jì)算每個(gè)本征模函數(shù)的瞬時(shí)頻率及邊際譜，通過分析邊際譜來選擇能夠準(zhǔn)確描述條紋信號(hào)變化的瞬時(shí)頻率。(3)確定條紋信號(hào)的背景分量。(4)用所確定的瞬時(shí)頻率自適應(yīng)定位局部平穩(wěn)區(qū)域并據(jù)此計(jì)算高斯窗口的尺度因子。(5)將原信號(hào)去除背景分量后，對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)窗口傅里葉變換得到包裹相位分布。逐行進(jìn)行上述步驟可得條紋圖的全局包裹相位，展開后得到絕對(duì)相位并轉(zhuǎn)換為高度信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的三維測(cè)量。本發(fā)明自適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)面形復(fù)雜或含有陡峭邊緣物體的測(cè)量精度有較大提高。
文檔編號(hào)G01B11/25GK102628676SQ201210016688
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者王辰星, 達(dá)飛鵬 申請(qǐng)人:東南大學(xué)