阅读说明：本技术 一种基于条纹等值线方向的干涉条纹图像相位展开方法 (Fringe contour line direction-based interference fringe image phase unwrapping method ) 是由 段晓杰 汪剑鸣 王�琦 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于条纹等值线方向的干涉条纹图像相位展开方法,结合光线干涉投射条纹切向方向上像素值相等的特点,将其作为光场剪切方向,利用最小二乘算法实现对干涉条纹包裹相位图进行展开处理,提高了全场相位的精度；其实现过程是：(1)从获得的干涉条纹二维包裹相位图像中设置一个9×9像素大小正方形窗口；(2)平移9×9窗口,并搜索干涉条纹等值线方向；(3)将获得二维复光场沿光纤干涉条纹等值线方向作1个像素的平移剪切,从而创建一个新的剪切光场；(4)将二维复光场与步骤3中构建的新的剪切光场进行相除运算获得一个新光场,并计算该光场的相位,得到二维复光场相位沿光纤干涉条纹等值线方向的梯度。(The invention discloses a fringe image phase expansion method based on a fringe isoline direction, which combines the characteristic that pixel values in the tangential direction of a light interference projection fringe are equal, takes the light interference projection fringe as a light field shearing direction, and utilizes a least square algorithm to realize the expansion processing of a fringe wrapped phase image, thereby improving the precision of a full-field phase; the realization process is as follows: (1) setting a square window with the size of 9 multiplied by 9 pixels from the obtained interference fringe two-dimensional wrapping phase image; (2) translating a 9 multiplied by 9 window, and searching the direction of the contour line of the interference fringes; (3) performing translational shearing of 1 pixel on the obtained two-dimensional complex light field along the contour line direction of the optical fiber interference fringes, thereby creating a new sheared light field; (4) and (3) carrying out division operation on the two-dimensional complex light field and the new sheared light field constructed in the step (3) to obtain a new light field, and calculating the phase of the light field to obtain the gradient of the phase of the two-dimensional complex light field along the direction of the optical fiber interference fringe contour line.)

一种基于条纹等值线方向的干涉条纹图像相位展开方法

技术领域

本发明属于光学图像处理

技术领域

；涉及一种基于条纹等值线方向的干涉条纹图像相位展开方法；可用于对面阵相机采集到的小视场范围内基于双光纤投射的干涉条纹图像全场相位信息的准确获取。

背景技术

随着光学测量技术的不断发展，在工业应用中对待测物体的尺寸体积、相位重构速度及精度等各方面都提出了更高的需求，基于光纤干涉条纹结构光投影的三维测量法由于投影条纹余弦性好、结构灵活以及环境适应性强等优点，在针对小尺寸物体的三维测量中具有一定的优势，该方法的具体过程为：通过3dB光纤耦合器将带有单模尾纤的He-Ne气体激光器输出的波长为635nm的激光分为两路干涉红光，由于两路干涉臂输出端由光纤夹固定在一起，在投射范围内两路光产生干涉，当两光纤干涉臂纤芯距远小于光纤臂端面到观察屏的距离时可以得到余弦性良好的平行干涉条纹；若把干涉条纹结构光投射至小尺寸待测物表面，经其高度差异产生调制效应后，再利用面阵相机去拍摄观察屏上受物体调制后的图像，根据构建的测量系统的数学模型可知，待测物体的高度(深度)信息与相机采集到干涉条纹图像的相位信息有关，因此需要相位提取算法获取图像条纹相位信息，一般相位提取算法得到的包裹相位，即由反正切运算获取，这样包裹相位分布在(-π，π)范围内，无法表示出待测物体的整体相位，经过相位扩展算法重构出整体相位的布局，其具体表现为条纹的相位是连续的，将这一相位重构过程定义为相位展开，目前相位展开方法主要分为空间相位展开法和时间相位展开法，在以上方法对光纤干涉投射条纹图像进行相位展开处理过程中，由于干涉条纹在待测物体边缘的相位变化过快导致阶跃梯度不连续容易出现相位截断、拟合失真等问题，因此开发出一套针对小视场范围内的光纤干涉条纹相位精确展开方法是一个关键技术问题。

本发明针对经过预处理后的光纤干涉条纹图像的像素值在条纹切线方向上像素值相等，设计出了一种基于条纹等值线方向的干涉条纹图像相位展开算法，有效地解决了因条纹密度过大、待测物体边缘位置相位变化过快造成的相位展开误差问题。

发明内容

本方法突出优点是能够在小尺寸物体表面高度(深度)精确测量的应用背景下，针对基于光纤干涉结构光投影的三维测量方法过程中，针对现有的利用最小二乘法求阶跃系数(又称梯度系数)时极易产生误差，导致相位展开出现相位截断、拟合失真的问题，结合光线干涉投射条纹切向方向上像素值相等的特点，将其作为光场剪切方向，利用最小二乘算法实现对干涉条纹包裹相位图进行展开处理，提高了其全场相位的精度，为提高光学三维测量测量提供了一种新的方案；本发明采用的技术方案为一种基于条纹等值线剪切方向的干涉条纹图像相位展开方法，包括下列步骤：

(1)从获得的干涉条纹二维包裹相位图像中设置一个9×9像素大小正方形窗口；

(2)平移9×9窗口，并搜索干涉条纹等值线方向；

(3)将获得二维复光场沿光纤干涉条纹等值线方向作1个像素的平移剪切，从而创建一个新的剪切光场；

(4)将二维复光场与步骤3中构建的新的剪切光场进行相除运算获得一个新光场，并计算该光场的相位，得到二维复光场相位沿光纤干涉条纹等值线方向的梯度；

(5)利用二维复光场相位沿条纹等值线方向的梯度计算二维复光场的相位，计算方法即通过最小二乘法建立9×9矩形网络上的离散泊松方程，再利用离散余弦变换求解计算出相位值，得到相位值的最小二乘解，从而得到全场展开相位；

步骤(1)中，从利用相位提取算法获得的干涉条纹二维包裹相位图像中设置一个9×9像素大小正方形窗口，并通过该窗口对整幅二维包裹相位图进行平移扫描；

步骤(2)中，从该9×9窗口中分别沿8方向求取干涉条纹包裹图中灰度值梯度参数，将灰度梯度值最小的方向作为近似等值线方向；

步骤(3)中，首先对选定的X*Y个数据点上的所有二维包裹相位构造与其等效的二维复光场；将获得二维复光场沿光纤干涉条纹等值线方向作1个像素的平移剪切，从而创建一个新的剪切光场；

步骤(4)中，将二维复光场与该光场的剪切光场相除获得一个新光场，计算该光场的相位分布，得到二维复光场相位沿条纹等值线方向的梯度，并记录该梯度方向；

步骤(5)中，利用二维复光场相位沿条纹等值线方向的梯度计算二维复光场的相位，计算方法即通过最小二乘法建立9×9矩形网络上的离散泊松方程，再利用离散余弦变换求解计算出相位信息，得到相位值的最小二乘解，从而得到全场展开相位。

本方法与现有技术相比较具有如下优点：

1.传统最小二乘法在相位变化较大的情况下，因其具有平滑拟合的作用，导致在相位展开时处出现了相位模糊失真的现象，本发明基于条纹等值线剪切方向，避免了因条纹密度过大或相位变换过快带来的影响，得出的结果更接近真实相位；

附图说明

图1为本发明的算法流程图；

图2为算法实验结果图，(a)台阶状物体相位包裹图；(b)为本发明设计方法相位展开结果；(c)图(b)三维结构图

具体实施方式

本发明的算法流程如图1所示，结合光线干涉投射条纹切向方向上像素值相等的特点，将其作为光场剪切方向，利用最小二乘算法实现对干涉条纹包裹相位图进行展开处理，提高了其全场相位的精度，而通过光场剪切可绕过用包裹相位求相位梯度这一步骤，直接求剪切光场的包裹相位即可，有效的降低了相位展开过程中产生的误差，由于像素灰度值在条纹的切线方向变化量极小，即条纹切线方向梯度变化趋于平缓，可作为光场剪切方向；下面结合附图，对本发明技术方案的具体实施过程进行详细描述：

1.从利用相位提取算法获得的干涉条纹二维包裹相位图像中设置一个9×9像素大小正方形窗口，并通过该窗口对整幅二维包裹相位图进行平移扫描；

2.平移9×9窗口，并搜索干涉条纹等值线方向；从该9×9窗口中分别沿8方向求取干涉条纹灰度值变化梯度，将灰度梯度值最小的方向作为近似等值线方向；

3.对选定的X×Y个数据点上的所有二维包裹相位构造与其等效的二维复光场；将获得二维复光场沿光纤干涉条纹等值线方向作1个像素的平移剪切，从而创建一个新的剪切光场；

4.将二维复光场与该光场的剪切光场相除获得一个新光场，计算该光场的相位分布，得到二维复光场相位沿条纹等值线方向的梯度，并记录该梯度方向；

5.利用二维复光场相位沿条纹等值线方向的梯度计算二维复光场的相位，计算方法即通过最小二乘法建立9×9矩形网络上的离散泊松方程，再利用离散余弦变换求解计算出相位信息，得到相位值的最小二乘解，从而得到全场展开相位。