本發(fā)明屬于光學三維數(shù)字成像
技術領域：
，尤其涉及一種相位誤差補償方法及裝置。
背景技術：
：相移輪廓術是一種非接觸式、全場測量的光學三維數(shù)字成像與測量方法。該方法采用投影－采集裝置獲取一組經(jīng)物體表面面形調制的條紋序列圖，結合相移算法計算有效測量點的相位，該相位即用于計算物體的三維表面信息。相移輪廓術由于其高成像密度、高成像速度、高測量精度和高測量普適性等特點而得到廣泛應用。隨著數(shù)字投影和成像技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)了具有可編程性的數(shù)字條紋投影式相移輪廓術。與傳統(tǒng)光柵投影相比，數(shù)字條紋投影的優(yōu)點是利用計算機生成光柵條紋，并采用數(shù)字化的投影裝置作為透射光源，可以方便投射出任意形狀、頻率的光柵條紋，且能夠實現(xiàn)準確的相移，消除相移誤差。然而，由于獲取數(shù)字化投影－采集信號的過程中存在輸入－輸出之間的非線性強度響應的問題，例如將正弦輸入信號響應為非正弦輸出信號，從而引入相位測量誤差，并最終影響三維重建的精度。上述非線性強度響應一般性的被稱為gamma效應。為了減小gamma效應引入的測量誤差，現(xiàn)有技術提出了一些相位誤差補償或gamma校正的方法，較典型的有：1、獲取投影－采集裝置對一系列灰度值的響應，擬合系統(tǒng)響應特性曲線；2、基于實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立特定步數(shù)相移法的相位誤差補償查找表；3、通過特定步數(shù)相移法建立相位誤差模型，求解系統(tǒng)gamma系數(shù)用以抑制gamma效應；4、利用光學系統(tǒng)的離焦技術投影二值條紋圖等。但現(xiàn)有技術提出的相移輪廓術的相位誤差補償方法需要借助于額外的輔助條件，例如對響應曲線、gamma系數(shù)、基準相位的標定，或是光學離焦等，易受測量環(huán)境干擾或需人工輔助操作，導致三維重建的精度受到影響。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明實施例的目的在于提供一種相位誤差補償方法及裝置，旨在解決現(xiàn)有的相位誤差補償方法需要依賴額外的輔助條件，易受測量環(huán)境干擾或需人工輔助操作，導致三維重建的精度受到影響的問題。本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種相位誤差補償方法，包括：通過相移輪廓術測量系統(tǒng)獲取條紋序列圖；基于希爾伯特變換將所述條紋序列圖由空域變換到希爾伯特變換域；基于最小二乘相移法，分別對空域和希爾伯特變換域的所述條紋序列圖求解相位，得到空域的相位圖和希爾伯特變換域的相位圖；對所述空域的相位圖和所述希爾伯特變換域的相位圖進行平均，得到平均相位，利用所述平均相位進行相位誤差補償。本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種相位誤差補償裝置，包括：獲取單元，用于通過相移輪廓術測量系統(tǒng)獲取條紋序列圖；變換單元，用于基于希爾伯特變換將所述條紋序列圖由空域變換到希爾伯特變換域；求解單元，用于基于最小二乘相移法，分別對空域和希爾伯特變換域的所述條紋序列圖求解相位，得到空域的相位圖和希爾伯特變換域的相位圖；相位誤差補償單元，用于對所述空域的相位圖和所述希爾伯特變換域的相位圖進行平均，得到平均相位，利用所述平均相位進行相位誤差補償。本發(fā)明實施例提出了在希爾伯特變換域的相位誤差分布模型，結合空域進行比較并根據(jù)相位誤差在兩域中的分布特性，進而基于該特性分析提出一種基于希爾伯特變換的相位誤差補償方法。該方法具有自補償機制，無需額外的輔助條件，滿足基于相移輪廓術的高速、高精度、高普適性的三維數(shù)字成像和測量要求。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明實施例提供的相位誤差補償方法的實現(xiàn)流程圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的通過模擬數(shù)據(jù)所繪制的相位誤差分布曲線圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的對一白板進行相位測量得到的相位誤差分布圖；圖4從左至右分別是本發(fā)明實施例提供的石膏像圖片在空域進行相位誤差補償前獲得的三維數(shù)字化模型、石膏像圖片在希爾伯特變換域行相位誤差補償前獲得的三維數(shù)字化模型、石膏像圖片通過本發(fā)明實施例提供的方法進行相位誤差補償后獲得的三維數(shù)字化模型；圖5是本發(fā)明實施例提供的相位誤差補償裝置的結構框圖。具體實施方式為了說明本發(fā)明所述的技術方案，下面通過具體實施例來進行說明。以下描述中，為了說明而不是為了限定，提出了諸如特定系統(tǒng)結構、技術之類的具體細節(jié)，以便透切理解本發(fā)明實施例。然而，本領域的技術人員應當清楚，在沒有這些具體細節(jié)的其它實施例中也可以實現(xiàn)本發(fā)明。在其它情況中，省略對眾所周知的系統(tǒng)、裝置、電路以及方法的詳細說明，以免不必要的細節(jié)妨礙本發(fā)明的描述。圖1示出了本發(fā)明實施例提供的相位誤差補償方法的實現(xiàn)流程，詳述如下：在S101中，通過相移輪廓術測量系統(tǒng)獲取條紋序列圖。首先，通過相移輪廓術測量系統(tǒng)獲得一組三步相移的條紋序列圖，即空域的條紋序列圖。由于在相移輪廓術測量系統(tǒng)中，實際的投影－采集裝置存在著非線性強度響應，相移輪廓術測量系統(tǒng)的輸出信號會由于gamma效應而引入高效諧波，因此，在S101中，獲取到的條紋序列圖表示如下：InC=[A+Bcos(φ+δn)]γ=B0+Σk=1∞[Bkcos(kφn)]]]>其中，是相移輪廓術測量系統(tǒng)輸出的條紋序列中第n幅相移圖的強度，A是條紋背景強度，B是條紋調制強度，φ是經(jīng)待測表面調制的真實相位，該真實相位蘊涵著待測表面深度信息，B0是直流分量，Bk是k階諧波的強度大小，δn＝2π(n-1)/N是第n幅相移圖的相移量，N是相移輪廓術測量系統(tǒng)所使用的相移輪廓術的相移步數(shù)，φn＝φ+δn是調制的相移相位，γ是相移輪廓術測量系統(tǒng)的gamma系數(shù)，表征該系統(tǒng)的非線性效應。在S102中，基于希爾伯特變換將所述條紋序列圖由空域變換到希爾伯特變換域。具體地，通過將所述相移條紋序列圖由空域變換到希爾伯特變換域，其中，H(g)表示希爾伯特變換，是相移輪廓術測量系統(tǒng)輸出的條紋序列中第n幅相移圖在所述變換后的強度。在此，通過希爾伯特變換引入了π/2相移，同時濾除了直流分量。在S103中，基于最小二乘相移法，分別對空域和希爾伯特變換域的所述條紋序列圖求解相位，得到空域的相位圖和希爾伯特變換域的相位圖。具體地：利用對空域的所述條紋序列圖求解相位；利用對希爾伯特變換域的所述條紋序列圖求解相位，其中，φC為在空域中對所述條紋序列圖求解得到的相位，φHC為在希爾伯特變換域中對所述條紋序列圖求解得到的相位。在S104中，對所述空域的相位圖和所述希爾伯特變換域的相位圖進行平均，得到平均相位，利用所述平均相位進行相位誤差補償。具體而言，由于gamma效應引入了相位誤差，使得實際求解的相位與真實相位φ之間存在差異。在希爾伯特變換域中，對由gamma效應引入的相位誤差分布ΔφH可做如式(1)的推導：ΔφH=φHC-φ=arctan{cosφΣn=1NΣk=1∞[Bksin(kφn)cosδn]-sinφΣn=1NΣk=1∞[Bksin(kφn)sinδn]cosφΣn=1NΣk=1∞[Bksin(kφn)sinδn]+sinφΣn=1NΣk=1∞[Bkcos(kφn)cosδn]}=arctan{Σn=1NΣk=1∞[Bksin(kφn)cosφn]Σn=1NΣk=1∞[Bksin(kφn)sinφn]}=arctan{Σn=1NΣk=2∞[(Bk+1+Bk-1)sin(kφn)]NB1+Σn=1NΣk=2∞[(Bk+1-Bk-1)cos(kφn)]}=arctan{Σm=1∞[(GmN+1+GmN-1)sin(mNφ)]1+Σm=1∞[(GmN+1-GmN-1)cos(mNφ)]}]]>其中，Gs隨著諧波階次s的增大而顯著減小，因此僅考慮N階諧波已經(jīng)足夠充分，且GN+1項對相位誤差的影響遠小于GN-1項，則式(1)可進一步簡化為式(2)：ΔφH=arctan[GN-1sin(Nφ)1-GN-1cos(Nφ)]]]>式(2)即是希爾伯特變換域中相位誤差分布模型。而空域中的相位誤差分布模型為式(3)：Δφ=arctan[-GN-1sin(Nφ)1+GN-1cos(Nφ)]]]>分析式(2)和(3)，兩域中的相位誤差是與真實相位φ、相移步數(shù)N和gamma系數(shù)γ相關的周期性分布，且周期都是T＝2π/N。令可得到希爾伯特變換域中相位誤差分布的振幅即最大相位誤差|ΔφH|max為式(4)所示：AΔφH=|ΔφH|max=arcsin(|GN-1|)]]>同理，令可得到空域中相位誤差分布的振幅AΔφ、即最大相位誤差|Δφ|max為式(5)所示：AΔφ＝|Δφ|max＝arcsin(|GN-1|)此外，式(1)和(2)存在如下式(6)所示的關系：ΔφH|φ+T2=arctan{GN-1sin[N(φ+πN)]1-GN-1cos[N(φ+πN)]}=arctan[-GN-1sin(Nφ)1+GN-1cos(Nφ)]=Δφ|φ]]>由此，空域和希爾伯特變換域中的相位誤差分布的特性可總結如下：1、具有相同的周期T＝2π/N；2、具有相同的振幅A＝arcsin(|GN-1|)，如式(4)和式(5)所示；3、分布相差半個周期，如式(6)所示，使得空域和希爾伯特變換域中的相位誤差分布呈相反趨勢。在S104中，對所述空域的相位圖和所述希爾伯特變換域的相位圖進行平均，具體可以為：通過對所述空域的相位圖和所述希爾伯特變換域的相位圖進行平均，其中，φM是所述平均之后得到的平均相位。進一步地，聯(lián)立式(2)和式(3)，平均相位與真實相位之間的相位誤差可推導如下：ΔφM=φM-φ=12(Δφ+ΔφH)=12arctan[GN-12sin(2Nφ)1-GN-12cos(2Nφ)]]]>令平均相位的最大相位誤差可表示為如下式(7)：|ΔφM|max=12arcsin(GN-12)]]>對比式(7)和式(5)，因|GN-1|<1，則平均相位補償了由gamma效應引入的相位誤差。圖2示出通過模擬數(shù)據(jù)(GN-1＝0.4，N＝3)所繪制的相位誤差分布曲線圖，其中，虛線示出的是空域中的相位誤差分布，點虛線示出的是希爾伯特變換域中的相位誤差分布，從中可清晰看出兩域中的相位誤差值大小近似相等，符號相反。而圖2中實線示出的是平均相位的相位誤差分布，相比空域和希爾伯特變換域中的相位誤差，補償后的相位誤差明顯減少。如圖3是實驗中對一白板進行相位測量得到的相位誤差分布，均取圖像中間一行進行顯示。虛線和點虛線分別表示補償前空域和希爾伯特變換域中的相位誤差分布，而實線表示使用本發(fā)明的方法進行補償后的相位誤差分布。與圖2所示一致，在實際測量中通過本發(fā)明的方法進行補償后的相位誤差同樣明顯減少。圖4的左圖和中間圖分別是實驗中石膏像在空域和希爾伯特變換域中進行相位誤差補償前獲得的三維數(shù)字化模型，圖4的右圖是實驗中石膏像通過本發(fā)明的方法進行相位誤差補償后獲得的三維數(shù)字化模型。對比可見，經(jīng)過本發(fā)明的方法進行相位誤差補償后，三維數(shù)字成像的精度顯著提高。本發(fā)明實施例提出了在希爾伯特變換域的相位誤差分布模型，結合空域進行比較并根據(jù)相位誤差在兩域中的分布特性，進而基于該特性分析提出一種基于希爾伯特變換的相位誤差補償方法。該方法具有自補償機制，無需額外的輔助條件，滿足基于相移輪廓術的高速、高精度、高普適性的三維數(shù)字成像和測量要求。應理解，上述實施例中各步驟的序號的大小并不意味著執(zhí)行順序的先后，各過程的執(zhí)行順序應以其功能和內在邏輯確定，而不應對本發(fā)明實施例的實施過程構成任何限定。對應于上文實施例所述的相位誤差補償方法，圖5示出了本發(fā)明實施例提供的相位誤差補償裝置的結構框圖，所述相位誤差補償裝置可以是軟件單元、硬件單元或者是軟硬結合的單元。為了便于說明，僅示出了與本實施例相關的部分。參照圖5，該裝置包括：獲取單元51，通過相移輪廓術測量系統(tǒng)獲取條紋序列圖；變換單元52，基于希爾伯特變換將所述條紋序列圖由空域變換到希爾伯特變換域；求解單元53，基于最小二乘相移法，分別對空域和希爾伯特變換域的所述條紋序列圖求解相位，得到空域的相位圖和希爾伯特變換域的相位圖；相位誤差補償單元54，對所述空域的相位圖和所述希爾伯特變換域的相位圖進行平均，得到平均相位，利用所述平均相位進行相位誤差補償。可選地，所述獲取單元51獲取到的所述條紋序列圖如下：InC=[A+Bcos(φ+δn)]γ=B0+Σk=1∞[Bkcos(kφn)]]]>其中，是相移輪廓術測量系統(tǒng)輸出的條紋序列中第n幅相移圖的強度，A是條紋背景強度，B是條紋調制強度，φ是經(jīng)待測表面調制的真實相位，B0是直流分量，Bk是k階諧波的強度大小，δn＝2π(n-1)/N是第n幅相移圖的相移量，N是相移輪廓術測量系統(tǒng)所使用的相移輪廓術的相移步數(shù)，φn＝φ+δn是調制的相移相位，γ是系統(tǒng)的gamma系數(shù)，表征系統(tǒng)的非線性效應。可選地，所述變換單元52具體用于：通過將所述相移條紋序列圖由空域變換到希爾伯特變換域，其中，H(g)表示希爾伯特變換，是相移輪廓術測量系統(tǒng)輸出的條紋序列中第n幅相移圖在所述變換后的強度。可選地，所述求解單元53具體用于：利用對空域的所述條紋序列圖求解相位；利用對希爾伯特變換域的所述條紋序列圖求解相位，其中，φC為在空域中對所述條紋序列圖求解得到的相位，φHC為在希爾伯特變換域中對所述條紋序列圖求解得到的相位?？蛇x地，所述相位誤差補償單元54具體用于：通過對所述空域的相位圖和所述希爾伯特變換域的相位圖進行平均，其中，φM是所述平均之后得到的平均相位。所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為了描述的方便和簡潔，僅以上述各功能單元、模塊的劃分進行舉例說明，實際應用中，可以根據(jù)需要而將上述功能分配由不同的功能單元、模塊完成，即將所述裝置的內部結構劃分成不同的功能單元或模塊，以完成以上描述的全部或者部分功能。實施例中的各功能單元、模塊可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中，上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能單元的形式實現(xiàn)。另外，各功能單元、模塊的具體名稱也只是為了便于相互區(qū)分，并不用于限制本申請的保護范圍。上述系統(tǒng)中單元、模塊的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。本領域普通技術人員可以意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、或者計算機軟件和電子硬件的結合來實現(xiàn)。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業(yè)技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應認為超出本發(fā)明的范圍。在本發(fā)明所提供的實施例中，應該理解到，所揭露的裝置和方法，可以通過其它的方式實現(xiàn)。例如，以上所描述的系統(tǒng)實施例僅僅是示意性的，例如，所述模塊或單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現(xiàn)時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通訊連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通訊連接，可以是電性，機械或其它的形式。所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現(xiàn)本實施例方案的目的。另外，在本發(fā)明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能單元的形式實現(xiàn)。所述集成的單元如果以軟件功能單元的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中?；谶@樣的理解，本發(fā)明實施例的技術方案本質上或者說對現(xiàn)有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的全部或部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網(wǎng)絡設備等)或處理器(processor)執(zhí)行本發(fā)明實施例各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-OnlyMemory)、隨機存取存儲器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。以上所述實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明實施例各實施例技術方案的精神和范圍。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3