[发明专利]并行计算光学条纹图相位提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学图像处理，特别是一种并行计算光学条纹图相位提取方法。

背景技术

在结构光投影三维面形测量技术中，光学条纹图承载了被测物体三维面形信息，对光学条纹图高精度快速处理和信息获取是实现三维面形实时测量的关键。

常用光学条纹图的处理方法有相移法(在先技术1：郑东亮,达飞鹏.双步相移光栅投影测量轮廓术.光学学报2012,32(5):0512004)、傅立叶变换法(在先技术2：张启灿,苏显渝,曹益平等.利用频闪结构光测量旋转叶片的三维面形.光学学报,2005,25(2):207-211)和小波变换法(在先技术3：李思坤,苏显渝,陈文静.一种新的小波变换空间载频条纹相位重建方法中国激光,2010,37(12):3060-3065)。小波变换法只需要一幅变形光学条纹图就能得到物体三维面形信息，适合动态测量，且小波变换法具备局部化、多分辨率分析能力和更强的噪声抑制能力。但是小波变换的本质其实是卷积和相关计算，计算处理速度比较慢。

在先技术3中的小波变换光学条纹图像处理方法仅仅是利用了串行的计算硬件平台，数据处理过程依循行列，多尺度的顺序逐次循环计算。除了算法本身固有卷积计算耗时较长之外还存在以下缺点和不足：随着图像中所包含的频率分量的增多，为保持计算精度，选取的尺度因子数目增大，单次小波循环的计算次数增多；图形尺寸的增大会增加需要进行的小波变换次数；串行计算小波变换光学条纹图处理方法耗时较长，无法满足实时测量的需求。

发明内容

本发明的目的在于上述现有技术的不足，提供一种并行计算光学条纹图相位提取方法，本方法保持了原有串行计算小波变换光学条纹图相位提取方法精度，同时提高了数据处理速度。

本发明的技术解决方案如下：

一种并行计算光学条纹图相位提取方法，其特点在于该方法对CCD获取光学条纹图的相位提取采用多核CPU或者计算机机群的多CPU运算平台，分为主节点CPU和分节点CPU，该方法包括以下步骤：

①主节点CPU读入CCD获取的图像，并根据图像的分辨率和小波变换的尺度因子的数目，按照图像处理的行列或者是分节点CPU的个数来调度分配分节点CPU的计算任务；

②分节点CPU接收主节点CPU传递的图像，计算小波脊和相应包裹相位的任务，计算过程如下：

光学条纹图中的结构光方向，即未调制强度呈正弦变化的方向为图形的行方向，设为x方向，列方向设为y方向，光学条纹图沿结构方向的一维强度信息I'(x)与变量y无关，图像每行的强度信息如公式(1)所示：

I'(x)＝I₁+I₂cos(2πfx+Δφ(x))(1)

其中，I₁为背景光强度，I₂为条纹的调制度，f为投影条纹的基频，Δφ(x)为由待测物体高度h信息引起的调制相位；

采用Morlet复小波对单行强度信息进行连续小波变换：

其中，W(a,b)为小波变换系数，为母波函数Ψ(x)的子波函数，a为尺度因子，b为平移因子，是ψ_a,b(x)的复共轭函数；

求小波变换系数W(a,b)的模|W(a,b)|，取小波变换系数矩阵第b列在所有行中的极大值点，作为小波变换脊：

ridge(b)＝max[|W(a,b)|](3)

求得的小波脊为单行的向量，各元素的幅角即为所需的包裹相位：

3)分节点CPU将所述的包裹相位，传回主节点CPU，主节点CPU整合包裹相位，解包裹相位之后，根据测量光路的几何参数恢复待测物体形貌：

在远心光路条件下，L₀＞＞h(x,y)，被测物体高度分布h(x,y)与调制相位Δφ(x,y)的关系为：

其中，L₀和d为图1所示系统中的结构参量。

所述的主节点CPU读取图片之后对分节点CPU任务进行分配调度，分配调度的方法有两种：

1)任务分配调度方式一：当CCD获取的图像分辨率不大于512×512，且需要分析的小波尺度个数少于或等于60时，所述的主节点CPU将光学条纹图的一行或者一列像素的小波脊提取和相位求解作为单次计算任务发送给分节点CPU，分节点完成单次计算任务后，所述的主节点CPU接收并开始下一个计算任务直至所有计算任务完成；