[发明专利]一种动态物体三维测量方法

说明书

本发明公开了一种动态物体三维测量方法，步骤包括：步骤1、基于改进价值函数的二维小波变换小波脊提取算法解相位主值；步骤2、利用改进价值函数进行权值系数的调整；步骤3、将三维相位展开，采用沿着时间轴t方向展开相位；P_k是第k帧条纹图像的包裹相位的某个像素点，当P_k被红色封闭枝切线包围而无法在二维方向展开相位时，利用第k‑1帧条纹图像的P_k‑1的展开相位计算P_k的相位。本发明方法的三维相位展开结果更好，具有更好的抑噪能力。

技术领域

本发明属于光栅投影三维测量技术领域，涉及一种动态物体三维测量方法。

背景技术

近年来，基于结构光投影的动态三维面形测量成为研究热点。在冲压板连续变形检测、汽车碰撞变形过程检测、子弹冲击头盔的变形检测以及运动力学分析等领域，都需要观察对象轮廓的动态变化过程，为设计人员改进产品设计和提高产品质量提供重要数据。相移法解相位主值的测量精度高，对环境和噪声不敏感，抗干扰能力强，但是至少需要三幅以上的条纹图像。相移法获得的相位是通过反正切得到的，它被包裹在(-π,π)之间，称为相位主值。为了得到物体整体形貌，必须从相位主值中计算恢复得到实际相位，这一过程称为相位展开。目前已有非常多的相位展开算法，这些算法大体上可分为两大类：空间相位展开和时间相位展开。1993年Huntley等提出了时间相位展开方法，该方法沿时间轴投影多幅不同频率的条纹，分别对每一个像素点独立相位展开，其优点是可以准确测量表面不连续的物体，使不连续轮廓非常容易的准确展开。但需要投影的条纹图像较多，譬如四步相移与三频外差相位展开方法结合解相位，需要投影12幅(即4×3＝12)条纹，而相移与格雷码或负指数拟合结合解相位则需要更多的投影条纹。但是对于动态变化的物体，希望一幅投影条纹即可获得三维形貌，因此相移法和时间相位展开结合解相位，很难实现动态变化过程物体的三维测量。

中国科学技术大学刘永久博士将格雷码解相位应用于高速动态物体测量，利用高速相机和运动补偿算法减小帧间同步误差，该方法能够测量物体表面不连续的复杂物体，但要求被测物体是刚性且运动方式已知，而对于物体形状变化物体的三维测量则无法适用。Takeda等人于1982年提出傅里叶变换法，它只需要一幅条纹图像，即可恢复出变形条纹的相位主值。空间相位展开法通过比较相邻两个像素点的相位主值，然后加减2kπ，使得相邻像素点的相位差落在(-π,π)之间来实现相位展开，它也只需要一幅条纹即可实现相位展开。因此傅里叶变换法和空间相位展开可以用于动态变化过程物体的三维测量，但要求物体轮廓连续、条纹满足抽样定理；而且傅里叶变换缺乏局部分析的能力，在傅里叶变换过程中，频谱混叠、泄露等会引起误差，影响了其测量精度。

小波变换具有多分辨率分析能力，具有优秀的时频分析特性，弥补了傅里叶变换存在的缺陷,较好地解决了局部相位误差传递和频谱混叠问题，测量精度优于傅里叶变换法。分为一维小波变换轮廓术和二维小波变换轮廓术。二维小波变换不但含有平移因子和尺度因子，而且含有旋转因子，因此具有方向选择性，其多分辨率分析能力强于一维小波变换。二维小波变换最大模小波脊提取方法的特征是算法简单，速度快。但是，当条纹图像中存在噪声时，会出现小波变换系数模不是最大值点，如果仍然采用模最大值搜索“小波脊”，将找到错误的“脊”，而导致恢复的三维形貌存在较大误差。由于小波变换的小波脊一般是连续的，而由噪声产生的数值可以选用小波变换系数模“脊线”的连续性进行去除。根据以上特性，英国利物浦约翰摩尔大学Abid等提出了基于评价函数的二维变换小波脊提取算法，在二维小波系数模上引入尺度因子的梯度，综合考虑系数模和尺度因子梯度来评估小波脊候选点，从而获得实际的小波脊。但是，该价值函数只考虑了路径上的尺度因子变化率，没有考虑旋转因子的变化率。此外，该评价函数默认系数模和尺度因子梯度的权值都为1，影响了小波脊提取精度，因此需要权值优化调整。