[发明专利]一种基于FPP的水下光学测量误差补偿方法

说明书

本发明公开了一种基于FPP的水下光学测量误差补偿方法，包括：基于相机捕获的相移正弦条纹图案，首先通过相移算法计算得到第一组条纹包裹相位，将希尔伯特变换（HT）引入捕获的条纹图案，并通过相移算法再次计算得到第二组条纹包裹相位，而后通过对两组条纹包裹相位求平均进行误差补偿，得到补偿后的条纹包裹相位，最后根据补偿后的条纹包裹相位计算得到相机像素与投影仪像素之间的对应关系，实现水下目标的光学重建。本发明主要通过在FPP中引入HT来减少浊水条件下的周期性分布相位误差，由此减少了水下散射引起的相位误差，有效提高了水下FPP的光学测量精度。

技术领域

本发明涉及一种基于FPP的水下光学测量误差补偿方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

水下三维（3D）测量在生态保护、考古碎片和海底重建等方面发挥着重要作用。因其具有非接触式和高精度的特性，光学测量是最有前途的水下3D测量技术之一。

光学测量主要包括干涉测量、飞行时间（ToF）技术和基于光学三角法的测量。基于光学三角法的方法可以分为被动和主动两类。被动式（即立体视觉）已成功用于水下3D测量应用，但会受到水散射和吸收引起的光衰减的影响，从而导致图像对应不准确并减少3D测量精度。主动式通过投射主动光来实现可靠的图像对应，从而为水下物体重建更准确的3D形状。

传统上，有源光可以是激光条纹或结构化图案。基于激光条纹的测量可以实现精确的3D测量，但非常耗时。基于结构化图案的测量使用各种图案，例如：二值编码、正弦图案、灰色或混合图案等。相比之下，基于正弦图案的测量技术可以实现每秒数千帧的精确测量，已广泛用于先进制造、逆向工程和虚拟现实等领域。

基于正弦条纹的测量系统可以简化为一投影仪和一相机。在实际使用中，投影的正弦图案沿水平或竖直方向变化，看起来像条纹，因此基于正弦图案的测量也被称为条纹投影轮廓术（FPP）。FPP通过遵循相位一致性来建立投影仪和相机之间的图像对应关系，即投影光在到达相机传感器之前不会改变其相位。

目前FPP已成功用于清水下的3D测量，但在浊水条件下，捕获的条纹图案背景和幅度将大大降低，从而产生相位误差并减少测量精度。

发明内容

发明目的：针对现有技术所存在的问题，本发明提供一种基于FPP的水下光学测量误差补偿方法，通过在FPP中引入希尔伯特变换（HT）来减少浊水条件下的周期性分布相位误差，由此来减轻水下散射造成的影响，有效提高水下FPP的光学测量精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于FPP的水下光学测量误差补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：通过投影仪将一组相移的正弦条纹图案投射到水下的被测物体上，并通过相机捕获从被测物体表面反射的相移正弦条纹图案；

步骤2：基于相机捕获的条纹图案，通过相移算法计算得到第一组条纹包裹相位；

步骤3：将希尔伯特变换引入捕获的条纹图案，进而通过相移算法计算得到第二组条纹包裹相位；

步骤4：通过对两组条纹包裹相位求平均进行误差补偿，得到补偿后的条纹包裹相位，由此得到相机像素与投影仪像素之间的对应关系，实现水下目标的三维光学重建。

进一步的，水下条件下由于光的吸收和散射而存在随机噪声，因此步骤1中采用多重采样方法来减少其影响。在该方法中，将每个设计的图像投影到物体上并捕获次，并对捕获的组相移正弦条纹图案求平均，最终得到一组理想的相移正弦条纹图案。

进一步的，所述步骤2中设相机捕获的条纹图案为：

，

其中A和B分别是条纹背景和条纹幅度，表示相机像素的坐标，表示第一组条纹包裹相位，N表示相移步数，且条纹幅度通过以下公式进行计算：

，