一种基于二值编码的三维测量方法及电子设备

1.本发明涉及三维测量领域，特别是一种基于二值编码的三维测量方法及电子设备。


背景技术：

2.物体三维信息的获取有着重要现实意义，其中相位测量轮廓术(phase measurement profilometry,pmp)具有结构简单、非接触、成本低、精度高、测量速度快等优点，在工业质量在线检测、文物保护等多领域具有广泛的应用前景。
3.相移轮廓术通过解析条纹相位信息，映射为物体空间信息，根据绝对相位获取方式不同分为时间相位展开法和空间相位展开法两大类。空间相位展开法依据空间信息展开相位，展开相位结果质量与起始点选择、展开路径等相关，出现一个错误展开点，则后续展开相继出错。时间相位展开法通过投影多种频率条纹，逐步展开为绝对相位，每个像素位置相位值与多个频率对应位置相位值有关，而与空间上相邻像素位置无关。无论是时间相位展开，还是空间相位展开，都需要投影正弦条纹结构光场，然后捕获受物体表面调制变形的条纹，从变形条纹图像相位信息中解析出物体的三维数据。其中投影结构光场的正弦性对相位提取精度具有决定性影响，进而影响测量精度。
4.采用商用数字投影仪投影二值条纹图，可以充分利用dmd高速二值图形切换能力实现高速、灵活的光场投影，提高检测的效率而被广泛使用。具体优势有数字投影可实现零误差相移；离焦投影二值图取代传统相移轮廓术中投影八位正弦图，在有限帧频(120hz)限制下，大大提高测量速度；二值图输入二值图像，避免了投影仪非线性对条纹正弦性的影响。然而，二值编码过程将不可避免引入高频成分，这将影响相位解析的精度，进而影响最终形貌检测的精度。一般采用离焦投影滤除高频成分，以牺牲景深方式获得近似理想正弦光场。目前应用于时间相位展开条纹获取的二值编码方式主要有脉宽调制法、抖动法，脉宽调制法编码在一维尺度下优化，条纹周期太大时效果不理想。抖动法包括随机抖动、有序抖动和误差扩散等，相比其他算法，其中误差扩散对图像阈值过程的剩余误差进行分摊传播，在条纹周期较大时可显著提高精度，但条纹周期较小时，单周期可编码像素值偏少，相位误差仍然较大。
5.但现有三维测量方法中的二值编码方法有如下问题：通过经验值估计光学传递函数，设计对所有条纹周期都普适的扩散核，当经验值与实际投影系统光学特性偏离时，很难获得高正弦性的光场；不针对相位解析过程所有光场条纹周期进行编码优化，难以保证最终相位解析精度和可靠性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有三维测量方法中的二值编码方法存在普适度小，相位解析精度和可靠性差的问题，提供一种基于二值编码的三维测量方法及电子设备。
7.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
8.一种基于二值编码的三维测量方法，包括以下步骤：
9.s1：通过误差扩散算法对正弦条纹图像进行二值编码，获取编码条纹组；
10.s2：将所述编码条纹组离焦投影至待测物体表面，并采集所述待测物体表面反射回的条纹图像；
11.s3：计算所述条纹图像的截断相位，将所述截断相位展开为绝对相位，并采用相位映射法将所述绝对相位映射为所述待测物体的三维数据。本发明通过优化的误差扩散核对正弦条纹图像进行二值编码，提高了投影图像的正弦性，并采用离焦投影编码条纹组，由于投影图像采用二值编码，只有0
‑
1两种灰度值，不受数字投影仪非线性影响，在有限帧频(120hz)限制下，实现高速高精度三维面形测量。
12.作为本发明的优选方案，所述步骤s1中误差扩散算法的公式如下：
[0013][0014]
其中，i
b
为编码条纹组，i为正弦条纹图像，i
new
为误差扩散过程图，i
new
初始值为i，e为阈值化量化误差，h为误差扩散核，(i,j),(x,y)为对应像素坐标，s为误差扩散范围。
[0015]
作为本发明的优选方案，所述步骤s1中误差扩散核采用遗传算法进行优化，包括以下步骤：
[0016]
s01：随机生成x个物种的初代种群，得到x个物种的物种信息。所述物种为随机生成的正弦条纹图像，每个物种拥有c个基因，码字各长l，依次对应误差扩散核c个待优化系数，按比例归一化后可转换为误差扩散核；
[0017]
s02：将所述物种转换为误差扩散核，进行二值编码获取正弦条纹组(≥3组条纹)，将每个条纹周期的物种误差进行加权求和得到物种总误差；
[0018]
s03：将所述物种总误差进行逆序排列并为对应所述物种赋予不同权重值，采用轮盘对赌策略选择杂交目标；
[0019]
s04：随机选择杂交点，依据杂交概率杂交两个种群的物种信息；
[0020]
s05：完成杂交的种群依据突变概率随机选择突变点进行基因突变，生成下一代误差扩散系数；
[0021]
s06：更新此时的最小的所述物种总误差与对应的所述物种信息，当迭代次数达到预设次数后，进入步骤s07；当迭代次数小于预设次数时，返回步骤s02；
[0022]
s07：获取最小物种误差对应的物种，转换并输出为误差扩散核。本发明通过遗传算法来优化误差扩散核，并综合考虑相位解析过程所有光场条纹周期条纹编码误差，获得整体物种误差低于传统误差扩散方法编码的二值条纹组，有效的提升了测量精度。
[0023]
作为本发明的优选方案，所述步骤s02中所述物种总误差的计算函数为：
[0024][0025]
其中，e
all
为优化目标，β
t
为权重值，e
t
是周期为t的条纹的物种误差。本发明优化结果易复用。由于优化结果适用于相位解析过程特定条纹频率组，对于相同条纹周期组成的
条纹频率组，可直接使用已有优化结果编码，方便快捷，不受图像分辨率变更影响。
[0026]
作为本发明的优选方案，所述步骤s02中物种误差计算包括以下步骤：
[0027]
s021：计算相位误差e
p
和强度误差e
i
；
[0028]
s022：根据所述相位误差e
p
和所述强度误差e
i
计算所述物种误差e
t
。本发明优化目标包括相位误差和强度误差，满足降低相位误差目标的同时，对离焦程度变化更具有鲁棒性。
[0029]
作为本发明的优选方案，所述相位误差e
p
和所述强度误差e
i
的计算式分别为：
[0030][0031]
其中，rows
×
cols为所述正弦条纹图像i的大小，rows,cols分别为图像纵向像素数和横向像素数，φ
s
,φ
b
为所述编码条纹组i
b
的截断相位中展开的连续相位，为卷积运算符。
[0032]
作为本发明的优选方案，所述步骤s022中所述物种误差e
t
的计算式为：
[0033][0034]
其中，y∈(0,1)，k为高斯窗大小，i
m
为图像最大灰度值。
[0035]
作为本发明的优选方案，所述步骤s02采用“s”型扩散路径进行二值编码。
[0036]
作为本发明的优选方案，所述步骤s2中所述离焦投影的焦离程度通过将离焦前后条纹边界灰度差代入一维高斯模糊模型求解进行获取。本发明通过针对实际投影系统光学特性优化离焦程度，从而产生高正弦性的光场，进而有效地提高了测量的精度。
[0037]
一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的方法。
[0038]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0039]
1.本发明通过误差扩散算法对正弦条纹图像进行二值编码，提高了投影图像的正弦性，并采用离焦投影编码条纹组，由于投影图像采用二值编码，只有0
‑
1两种灰度值，不受数字投影仪非线性影响，在有限帧频(120hz)限制下，实现高速高精度三维面形测量。
[0040]
2.本发明通过遗传算法来优化误差扩散核，并综合考虑相位解析过程所有光场条纹周期条纹编码误差，获得整体物种误差低于传统误差扩散方法编码的二值条纹组，有效的提升了测量精度。
[0041]
3.本发明优化结果易复用。由于优化结果适用于相位解析过程特定条纹频率组，对于相同条纹周期组成的条纹频率组，可直接使用已有优化结果编码，方便快捷，不受图像分辨率变更影响。
[0042]
4.本发明优化目标包括相位误差和强度误差，满足降低相位误差目标的同时，对离焦程度变化更具有鲁棒性。
[0043]
5.本发明通过针对实际投影系统光学特性优化离焦程度，从而产生高正弦性的光场，进而有效地提高了测量的精度。
附图说明
[0044]
图1为本发明实施例1所述的一种基于二值编码的三维测量方法的流程示意图；
[0045]
图2为本发明实施例1所述的一种基于二值编码的三维测量方法中二维误差扩散应用原理示意图；
[0046]
图3为本发明实施例1所述的一种基于二值编码的三维测量方法中二维误差扩散编码原理图；
[0047]
图4为本发明实施例1所述的一种基于二值编码的三维测量方法中时间相位展开流程示意图；
[0048]
图5为本发明实施例1所述的一种基于二值编码的三维测量方法中遗传算法优化误差扩散核流程图；
[0049]
图6为本发明实施例2所述的一种基于二值编码的三维测量方法中采用的相位测量轮廓术系统结构图；
[0050]
图7为本发明实施例2所述的一种基于二值编码的三维测量方法中优化一个扩散核，将一组三频四步标准正弦条纹图编码为12幅图二值条纹图实例；
[0051]
图8为本发明实施例2所述的一种基于二值编码的三维测量方法中时间相位展开结果实例；
[0052]
图9为本发明实施例2所述的一种基于二值编码的三维测量方法中实物测量结果图；
[0053]
图10为本发明实施例3所述的一种利用了实施例1所述的一种基于二值编码的三维测量方法的一种电子设备；
[0054]
图中标记：101
‑
成像系统，102
‑
数字投影仪，103
‑
参考平面，104
‑
待测物体，105
‑
计算机。
具体实施方式
[0055]
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
[0056]
实施例1
[0057]
如图1所示，一种基于二值编码的三维测量方法，包括以下步骤：
[0058]
s1：通过误差扩散算法对正弦条纹图像进行二值编码，获取编码条纹组，所述编码条纹组符合时间相位展开算法要求。所述误差扩散算法二值编码的过程主要包含阈值量化、量化误差扩散两个部分。如图2所示，展现了误差扩散的作用机制，如图3所示，展示了本发明采用的误差扩散编码规则。其中图2和图3中的(a)为八位正弦条纹图，数学表达式为：
[0059]
所述八位正弦条纹图灰度分布范围为0～1；
[0060]
所述误差扩散算法的公式如下，生成只有0和1两个值的条纹图。：
[0061][0062]
其中，i
n
为n步正弦条纹，为截断相位，i
b
为编码条纹组，i为正弦条纹图像，i
new
为误差扩散过程图，i
new
初始值为i，e为阈值化量化误差，h为误差扩散核，(i,j),(x,y)为对应像素坐标，s为误差扩散范围。
[0063]
令待优化误差扩散核为h
optimized
，则：
[0064][0065]
其中，α
i
(i＝1,2,3,4)分别表示分配到邻域像素的误差权重系数，
‑
,*分别为已处理像素和正在处理的像素。
[0066]
s2：将所述编码条纹组离焦投影至待测物体表面，由相机采集经物体表面调制变形的条纹图像；
[0067]
s3：计算所述条纹图像的截断相位，通过时间相位展开法展开为绝对相位。如附图4中所示为多频外差法展开原理，两相近周期的条纹合成得到周期大于原周期的新条纹，得到两个新条纹图重复合成一次后得到周期大于图像宽度的条纹图，获得绝对相位。再根据相应规则(如相位高度映射法)将相位信息映射为物体三维数据。
[0068]
其中，所述误差扩散核采用遗传算法进行优化，如图5所示，包括以下步骤：
[0069]
s01：种群初始化。随机生成x个物种的初代种群，得到x个物种的物种信息。所述物种为随机生成的正弦条纹图像，每个物种拥有4个基因，每个基因码字长6，依次对应误差扩散核4个待优化系数；且初始化时保留一个floyd
‑
steinberg扩散抖动算法的扩散核，防止随机物种出现整体质量偏差情况出现。
[0070]
s02：误差计算。将所述物种转换为对应的误差扩散核，采用“s”型扩散路径二值编码获取正弦条纹组，消除误差在编码路径方向累积，并计算物种总误差。
[0071]
其中，所述物种总误差的计算函数为：
[0072][0073]
其中，e
all
为优化目标，β
t
为权重值，e
t
是周期为t的条纹的物种误差。
[0074]
物种误差计算包括以下步骤：
[0075]
s021：根据下式计算相位误差e
p
和强度误差e
i
；
[0076][0077]
其中，rows
×
cols为所述正弦条纹图像i的大小，rows,cols分别为图像纵向像素数和横向像素数，φ
s
,φ
b
为所述编码条纹组i
b
的截断相位中展开的连续相位，为卷积运算符。
[0078]
s022：根据下式计算所述物种误差：
[0079][0080]
其中，y∈(0,1)，k为高斯窗大小，i
m
为图像最大灰度值。
[0081]
s03：物种选择。将所述物种总误差进行逆序排列并为对应所述物种赋予不同权重值，采用轮盘对赌策略选择杂交目标。
[0082]
s04：杂交。随机选择杂交点，依据杂交概率杂交两个种群的物种信息。
[0083]
s05：突变。完成杂交的种群依据突变概率随机选择突变点进行基因突变，生成下一代误差扩散系数。
[0084]
s06：迭代。更新此时的最小物种总误差与对应的所述物种信息，当迭代次数达到预设次数后，进入步骤s07；当迭代次数小于预设次数时，返回步骤s02(本步骤需要考虑优化耗时，设置收敛实验确定迭代次数)。
[0085]
s07：图像生成。获取最小物种误差对应的物种，转换并输出为误差扩散核。
[0086]
实施例2
[0087]
本实施例为实施例1所述的一种基于二值编码的三维测量方法应用在时间相位展开法的相位测量轮廓术(pmp)中的一个实施例，本发明不限于实施例中所涉及的内容。
[0088]
相位测量轮廓术的系统结构如图6所示。当计算机105产生的周期为p的二值编码条纹被数字投影仪102离焦投影到置于参考平面103上的待测物体104表面，成像系统101接收到的变形条纹可以表示为：
[0089][0090]
式中c(x,y)表示背景灰度，d(x,y)/c(x,y)是条纹对比度。相位函数φ(x,y)包含了物体表面104高度的信息z＝h(x,y)。通过投射n幅正弦条纹(n>2)，每次相移1/n个条纹周期，φ(x,y)能够独立于c(x,y)和d(x,y)用离散相移算法解出：
[0091][0092]
计算得到的位相分布φ(x,y)，由于反三角运算的性质而被截断在其主值范围内。
为了获取物体的高度分布，必须进行位相展开，得到连续的绝对相位分布。本实例中采用三频四步法获取绝对相位，其中采用逐级次时间相位展开法展开截断相位，投影仪分辨率1024pixels
×
768pixels，对应条纹周期p分别为1024pixels、128pixels、16pixels，相位误差和强度误差分配函数y＝
‑
0.002072t+0.022782k+0.720739，迭次轮次设置为40次，利用遗传算法优化误差扩散核：
[0093]
s01：种群初始化。随机生成初代种群64个，每个物种由四个基因组成，对应扩散核中4个待优化系数，每个基因码字长6。
[0094]
s02：误差计算。将每个物种转换为对应的误差扩散核，采用“s”型扩散路径二值编码正弦图像组，消除一定程度上误差在某一方向累积。计算物种总误差，得到三种周期条纹误差权重与其周期成反比，依次为16/1168、128/1168、1024/1168。
[0095]
s03：物种选择。依据所述物种误差的逆序排列为物种赋予不同权重，并采用轮盘对赌策略选择杂交目标。
[0096]
s04：杂交。随机选择杂交点，依据杂交概率杂交两物种对应基因。每代中最优个体信息已被保留，为使产生种群更丰富，杂交概率为100％。
[0097]
s05：突变。完成杂交物种依据突变概率0.3％随机选择突变点进行基因突变，生成下一代误差扩散系数。
[0098]
s06：迭代。更新当前最小物种总误差与对应物种信息，迭代次数超过40次跳至s07，否则回到s02。
[0099]
s07：图像生成。将记录最小物种总误差对应物种转换为误差扩散核，可对任意尺寸正弦图像生成编码条纹组。
[0100]
如图7所示，给出本发明情况下优化出的一个扩散核，将一组三频四步标准正弦条纹图编码为12幅图二值条纹图实例，1是条纹周期1024pixels标准正弦条纹图，2是条纹周期128pixels标准正弦条纹图，3是条纹周期16pixels标准正弦条纹图，4、5、6为对应编码条纹组。
[0101]
将生成的编码条纹组离焦投影，利用投影系统光学特性产生高正弦性的光场，捕获变形条纹图，采用时间相位展开中的逐级次展开法展开为绝对相位，通过相位
‑
高度映射法计算物体三维信息，完成物体测量。其中逐级次展开法利用低频相位确定高频相位级次，逐周期级次辅助展开更高频相位。
[0102]
本实例采用仿真分析最终误差结果，本发明的编码条纹组和floyd
‑
steinberg法编码图像各条纹周期截断相位如图8中1和4所示，展开绝对相位如图8中2和5所示，恢复三维面形如图8中3和6所示，最终相位误差为0.0054rad，而使用floyd
‑
steinberg编码图片展开相位误差为0.0653rad。
[0103]
本实例在图6的相位测量轮廓术系统结构下进行了物体三维测量实验，采用了图7的编码条纹组，采集图像(仅给出了最小条纹周期)、各条纹周期的截断相位如图9中1和2所示，恢复三维面形如图9中3所示。
[0104]
实施例3
[0105]
如图10所示，一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述实施例所述的一种基于二
值编码的三维测量方法。所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及usb接口，用于输入输出数据；电源用于为电子设备提供电能。
[0106]
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括以下步骤：移动存储设备、只读存储器(read only memory，rom)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0107]
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括以下步骤：移动存储设备、rom、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0108]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。