具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种快速彩色条纹图相位解调算法。首先使用标定平板对测量系统进行预标定，求出耦合强度系数；其次使用该系统分别向待测物投影一幅均匀强度图和一幅彩色条纹图，对两幅图分别去耦后，使用均匀强度图求取背景项和调制度，对彩色条纹图进行去背景和色彩归一化，得到三幅无背景的、色彩归一的条纹图；然后使用相移法求取解调相位；最后对得到的解调相位进行解包裹，得到解包裹相位。使用一幅彩色条纹图快速得到解调相位，为后续的相位解包裹提供数据，实现动态物体的三维形貌重建。

参照图1，一种快速彩色条纹图相位解调算法，包括以下步骤：

步骤一：使用图9测量系统中的投影仪2分别向标定白板投影三幅强度一致的红色均匀强度图绿色均匀强度图和蓝色均匀强度图强度范围为120～220(依据不同相机的强度线性范围而定)，通过彩色相机1拍摄投影的均匀强度图，采集到红色均匀强度图绿色均匀强度图和蓝色均匀强度图

注：本发明方法中，投影采集的图片均具有红、绿、蓝三个通道。

投影的红、绿、蓝均匀强度图公式如下：

实际采集的红、绿、蓝均匀强度图公式如下：

其中分别是投影的红色均匀图的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图；分别是投影的绿色均匀图的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图；分别是投影的蓝色均匀图的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图。分别是采集的红色均匀图的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图；分别是采集的绿色均匀图的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图；分别是采集的蓝色均匀图的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图。

步骤二：利用步骤一采集到的三幅红、绿、蓝均匀强度图的不同通道之间的强度比值，计算每个主颜色通道在其他两个通道的耦合强度系数；

其中，K_rg,K_rb分别为采集到的红色均匀强度图中，红色主颜色通道对绿色通道和蓝色通道的耦合强度系数；K_gr,K_gb分别为采集到的绿色均匀强度图中，绿色主颜色通道对红色通道和蓝色通道的耦合强度系数；K_br,K_bg分别为采集到的蓝色均匀强度图中，蓝色主颜色通道对红色通道和绿色通道的耦合强度系数。

注：步骤一和步骤二是预标定环节，在正式测量之前完成。由于颜色耦合主要是由系统硬件设备引起的，是红、绿、蓝光谱重叠固有存在的问题，所以可以通过本步骤预标定得到耦合关系，为之后采集的图片提供去耦数据。

步骤三：经过步骤一和步骤二预标定之后，开始正式测量。在同一测量系统下，使用投影仪向待测物4投影一幅均匀强度图I^pu，通过彩色相机1同步拍摄图像，采集到一幅投影的均匀强度图I^cu。

投影的均匀强度图I^pu的红、绿、蓝三个通道的强度图分别为并且如下所示：

实际采集的均匀强度图I^cu的红、绿、蓝三个通道的强度图分别为并且如下所示：

其中，是设置的投影强度，与步骤四中投影的彩色条纹图的背景项强度一致。是实际采集到的均匀图强度。

步骤四：在同一测量系统下，由投影仪向被测对象投影一幅彩色条纹图I^p，分别为投影的彩色条纹图I^p中红色通道、绿色通道、蓝色通道上的灰度条纹图，并且通过彩色相机同步拍摄，采集到一幅彩色条纹图I^c，分别为采集的彩色条纹图I^c中红色通道、绿色通道、蓝色通道上的灰度条纹图，并且具体如下式所示：

投影的彩色条纹图I^p三个通道的灰度条纹图分别为：

采集的彩色条纹图I^c三个通道的灰度条纹图分别为：

其中，分别为的背景项，分别为的调制度；分别为的背景项，分别为的调制度，φ是包裹相位。注意：输入的条纹图中但由于耦合和色彩不平衡等因素的影响，导致采集到的条纹图中这就是色彩不归一问题，具体如图2所示。图2a是仿真的带耦合和高斯误差的彩色条纹图，图2c是图2a白色实线对应的横截面，可以看到，加入耦合和和噪声后彩色条纹图三个通道的条纹幅值不一致，即就是色彩不归一；图2b是仿真的带耦合和高斯误差的均匀强度图，图2d是图2b白色实线对应的横截面，可以看到，加入噪声后，强度均匀图出现了毛刺，加入耦合后，三幅均匀图强度不一致。其中仿真时的耦合系数设置为K_rg＝0.1,K_rb＝0.05，K_gr＝0.23,K_gb＝0.12，K_br＝0.05,K_bg＝0.12。图5a-图5c是实际采集的人脸模型的均匀强度的三个通道的图像，从图5d可以看到，由于色彩耦合和不平衡的影响，三个通道的均匀图强度并不一致，这就需要后续步骤中的去耦和色彩归一化。

步骤五：利用步骤二求得的耦合强度系数，分别对步骤三、步骤四中采集到的单幅均匀强度图I^cu和单幅彩色条纹图I^c去耦，得到去耦均匀强度图I^cud和去耦彩色条纹图I^cd，计算公式为：

对采集的均匀强度图I^cu去耦：

分别为均匀强度图I^cu的红色通道、绿色通道、蓝色通道的图像； 分别为去耦均匀强度图I^cud的红色通道、绿色通道、蓝色通道的图像，与含义一致。

首先对进行去耦校正，得到然后使用已校正的强度对进行去耦，得到最后使用已校正的强度和对进行去耦，得到

对采集的彩色条纹图I^c去耦：

分别为采集的彩色条纹图I^c的红色通道、绿色通道、蓝色通道的灰度条纹图；分别为去耦后的彩色条纹图I^cd的红色通道、绿色通道、蓝色通道的灰度条纹图，分别为的背景项，分别为的调制度；

首先对进行去耦校正，得到然后使用已校正的强度对进行去耦，得到最后使用已校正的强度和对进行去耦，得到本步骤的去耦校正思想是使用已经校正的通道强度对其他通道进行去耦校正，去耦效果更优。

步骤六：利用步骤五得到的红色通道、绿色通道、蓝色通道的去耦均匀强度图 以蓝色通道为基准，求取红色通道、绿色通道分别对蓝色通道的均匀强度图调制度比值M₁,M₂，如下式所示：

其中，其中corr1,corr2,corr3,corr4均为调制因子，取值为-5:5，用以保证三幅灰度条纹图归一化程度更好；(x,y)是均匀强度图的像素点坐标，是坐标为(x,y)时的像素点强度值，是坐标为(x,y)时的像素点强度值，是坐标为(x,y)时的像素点强度值，M₁(x,y)是M₁坐标为(x,y)时的数值，M₂(x,y)是M₂坐标为(x,y)时的数值。

同样地，本步骤也可以分别以红色通道和绿色通道为基准求取调制度比值。例如以红色通道为基准时，求取绿色通道、蓝色通道分别对红色通道的均匀强度图调制度比值M₁,M₂，如下式所示：

以绿色通道为基准时，求取红色通道、蓝色通道分别对绿色通道的均匀强度图调制度比值M₁,M₂，如下式所示：

本步骤无论以红、绿、蓝哪个通道作为基准求取调制度比值，均不影响测量结果。

步骤七：由步骤二和步骤三可知，投影的均匀图强度I^pu的强度和彩色条纹图I^p的背景项强度是相等的，但由于颜色耦合和不平衡等问题，导致实际采集到的均匀图强度I^cu的强度和彩色条纹图I^c的背景项强度不一致。经过步骤五去耦校正，求得去耦后的均匀强度图I^cud的强度与彩色条纹图I^cd的背景项强度一致，即对去耦后的彩色条纹图I^cd的三个通道的灰度条纹图进行去背景，得到去背景后的彩色条纹图I^deback，计算公式如下:

由于则：

其中，分别是I^deback中红色、绿色、蓝色通道的灰度条纹图。图2a中带耦合、高斯噪声的条纹图经过去耦、去背景、归一化处理后得到图3的结果，其中图3a是去耦合后的彩色条纹图横截面，使用本步骤对图3a进行去背景得到图3b,从图3b可以看到去背景后条纹图以0为中心，实现了完全去背景，也表明了去耦校正方法有效。图6是对人脸模型实际测量时的去耦、去背景、归一化结果，其中图6a是去耦合后的条纹图截面图，图6b是对图6a去背景后的结果，可以看到去背景后，条纹图是以0为中心线的正弦曲线，即实现了完全去背景。

步骤八：以蓝色通道为基准，利用步骤六得到的调制度比值M₁,M₂，对步骤七得到的去背景后的灰度条纹图进行调制度归一，具体如下式所示：

其中，I₁,I₂,I₃是色彩归一化后的三幅灰度条纹图。图3c展示的是仿真条纹图最终实现色彩归一化后的横截面，可以看到经过本步骤归一化后，三幅灰度条纹图实现了很好地色彩归一。图6c展示的是对实际采集的人脸模型进行测量时，最终得到的色彩归一化后的条纹图截面图，可以看到，在实际测量中，经过本发明方法最终实现了条纹图的色彩归一。

注：以上步骤中的耦合强度系数、背景项和调制度比值也可以通过对待测物投影三幅红绿蓝均匀图得到，然后对一幅彩色条纹图进行去耦、去背景和色彩归一。

步骤九：利用三步相移法，对步骤六中得到的色彩归一化的三幅灰度条纹图I₁,I₂,I₃求解解调相位φ。如下式所示

图4a为本发明方法得到的仿真平面的解调相位图，图4b是图4a中白色实线对应的解调相位，可以看到求出的相位幅值在(-π,π)之间。由于相移法解调中，相移步数越多，解调精度越高，因此将12步相移解调法作为参考，评价本发明方法的解调相位误差。图4c是本发明方法和12步相移法解调得到的解调相位的截面图，图4d是将图4c中两种方法得到的解调相位做差得到的相位误差，可以看到本发明方法在仿真结果中误差在0.04rad之内。而图7a至图7d是使用本发明方法对人脸模型进行测量得到的结果，解调相位误差在0.08rad之内，是仿真结果的两倍，这是由于在实际测量中，环境误差，系统误差是随机的、不可控的，因此误差会比仿真结果偏大，但不影响后续解包裹，两者的误差均在误差范围之内，满足高精度测量的要求。

步骤十：利用质量引导解包裹算法，对步骤九得到的解调相位进行解包裹，重建三维形貌，并将采集的均匀强度图覆盖在重建的三维图上，得到一幅纹理和颜色并存的真实三维图像。图8a和图8b展示的重建的三维形貌及其覆盖颜色后的图像，可以看到本发明方法可以由一幅均匀图和一幅彩色条纹图求解出物体的解包裹相位，实现物体的三维形貌重建。

参照图9，一种基于单幅彩色条纹图的动态三维形貌测量设备，包括彩色相机1、投影仪2和上位机3，彩色相机1和投影仪2的输出端、输入端均与上位机连接，用于收发上位机的指令。投影仪2用于向标定白板投影红色均匀强度图、绿色均匀强度图和蓝色均匀强度图，用于向待测物4投影一幅彩色条纹图和均匀强度图像；彩色相机1用于拍摄标定用的投影的均匀强度图以及被测物上的彩色条纹图的投影图像和均匀强度图像，并将拍摄的图像传递至上位机，上位机上存储有可在上位机上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的相位解调方法的步骤，根据接收到的图像计算其解调相位φ，并根据解调相位φ进行解包裹，求取解包裹相位，重建三维形貌。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述上位机可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述上位机可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

本发明所公开方法为动态三维形貌测量提供了新的思路，首先对系统进行预标定，得到耦合强度系数。之后进入正式测量，给待测物上先后投影一幅均匀强度图和彩色条纹图，彩色相机同步采集这两幅图像，计算机对采集到的图像进行快速的去耦、去背景、色彩归一，分离出三幅无背景、色彩归一的灰度相移条纹图，进而采用相移法进行解调，得到解调相位。本发明方法，将相移法所需要的条纹图像幅数从多幅降为一幅，通过采集单帧图像提取需要的信息，因此测量精度不受物体运动速度的影响，可实现运动物体的同步三维形貌重建；同时，本发明方法提取了待测物体颜色信息，丰富了物体重建后的形貌，更加形象的展现了三维物体形貌；对于彩色条纹图存在的色彩不平衡问题，通过提取均匀强度图的背景，得到调制度比值，进而对彩色条纹图进行色彩归一化处理，改善了传统色彩归一化方法的效率问题。综上，经过仿真和实验验证，对于运动物体的测量，本发明很好地兼顾了效率和精度，能够实现快速的、高精度的动态物体三维形貌重建。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。