[发明专利]一种基于多角度正弦条纹光场融合的相移轮廓术

权利要求书

1.本发明要实现针对漫反射表面极微小对象的三维高速高精度检测，通过一种基于多角度正弦条纹光场融合的相移轮廓术，要实现该目的，具体如下：

S₁、本发明提供的一种正弦条纹光场投影及拍摄装置，采用投影机构投影一组或者多组正弦条纹到被测物表面，光线反射后透过一个微透镜阵列被面阵相机收集，此时相机不仅收集了每一条光线的光强信息，还收集每一条光线的角度信息，得到多个不同角度的子孔径条纹光图像，基于双平面模型对四维光场进行参数化，一个四维光场可以参数化为L_ux，其中x = (x, y)^T, u =(u, v)^T分别代表光场的空间坐标和角度坐标，该公式的表征为光线在两个平面的横截面；

S₂、本本发明提出一种子孔径图像进行校准的方法，由于微透镜阵列于CCD平面不可能完全平行，子孔径图像会产生一定的偏移，需要提前进行图像校准以获得校准参数，基于校准参数对图像进行修正便于后续处理；

S₃、本发明采用正弦相移法进行相位求解，多幅条纹图像之间存在的相关性可以有效地降低噪声的影响，提高了相位获取的精确度和准确性，假设投影了N幅正弦条纹图像, 令I_i(x,y) 表示在像素坐标(x, y)第i幅条纹图像的光强；

其中，a和b分别是记录光场的背景辐射强度和调制辐射强度，是受物体高度调制的相位信息, 是第i幅条纹的相位移，通过条纹分析技术可以解调出相对相位, 公式如下：

通过反切运算后相对相位的值域为(-π，π)；

如果相位超过一个相位周期，只能够得到被压缩在一个相位周期内的相位，这里需要对相位进行展开求得绝对相位，相位展开需要确定条纹级次K, 如下公式：

其中，如果投影的是一组正弦相移条纹，即只有一组频率，可以使用基于空间的相位展开算法; 如果投影的是多组正弦相移条纹，即存在一组以上的频率，可以使用基于时间的相位展开算法；

其中，在计算绝对相位的过程中，可以计算出每个像素点的置信度，作为后续衡量像素点质量的一个评判依据，置信度的公式如下：

S₄、本发明提出一种基于相位贡献权重的子孔径选择算法，目的是避免全部的子孔径参与融合造成数据处理太慢导致的检测速度降低，模型基于中心子孔径开始，具体步骤如下；

遍历中心子孔径，找出所有无效的相位inf像素点集合P，无效的像素点条件满足A或者B，公式如下：

其中A代表绝对相位为inf的像素集合，B代表置信度大于某个阈值M₁的像素集合, (x,y)代表子孔径的像素坐标，(u,v)代表子孔径的角度坐标；

构造子孔径标志位矩阵C，初始值为0，遍历P中每一个位置坐标，并判断该像素位置经过坐标映射f (x, y)后在其它子孔径中像素点(x’,y’)是否合法，公式如下：

统计每一个子孔径的融合权重，融合权重通过S中求和的倒数阶来衡量，最终选用的子孔径可以是权重分布靠前的固定数量的或者选择大于某个权重阈值筛选，公式如下：

S₅、本发明提出一种结合了角度、距离和相似度的子孔径融合算法，分别基于子孔径的角度、距离和相似度建立相应的核函数，对中心子孔径的绝对相位进行重构，得到更好的成像质量，同时融合后可以在一定程度上抑制目标之间阴影遮挡，具体步骤如下：

基于子孔径的角度特性构建核函数K₁，构建双边卷积窗口，公式如下：

其中，u_c, v_c代表中心角坐标，是输入参数；

基于亮度方差构建核函数K₂，如果像素点的相位无效，需要该像素位置(x, y)映射的世界坐标在所有子孔径位置(x’,y’)的亮度平均值替代，公式如下:

其中代表点(x’,y’)的绝对相位平均值，是输入参数；

基于绝对相位图构建核函数K₃，用于衡量绝对相位的相似度；

其中u_x，u_y代表(x,y)处的相位平均值，，代表方差，代表协方差，C1,C2,C3是常数；

把上面的所有核函数融合为K

考虑子孔径有不同的角度，子孔径图像会存在一定的像素偏移，在融合的时候结合考虑不同子孔径领域的影响，公式如下：

其中W_d是点p所在的领域窗口，D(p, q)是距离核函数；

其中是输入参数

最终融合相位计算公式如下：

其中如果把输入数据由相位换成置信度，可以求出融合后的置信度

S₆、高度融合后得到一个单视角下的绝对相位数据，然后进行高度映射，基于标定参数得到一个三维点云数据；

S₇、本发明提出了一种基于多角度正弦条纹光场融合的相移轮廓术，可以进一步避免检测目标之间的遮挡带来的检测误差，采用一个同轴或者近似同轴的投影，在侧面安装多个不同角度的光场成像系统，这些多角度的光场成像系统可以进行同步曝光，同时收集多个角度的光场信息，根据步骤S₁ ~ S₆计算出每个视角下的三维点云数据和置信度信息，然后按照映射关系填充到一个整体的三维点云矩阵中，如果对于多个视角下同时存在的点，选取置信度最好的视角的高度进行填充；如果不存在重复的点，可以直接填充。