[发明专利]一种基于条纹等值线方向的干涉条纹图像相位展开方法

说明书

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。

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；