Phase Shift和PMP(相位測量輪廓法)要解釋的幾個細節

對相移法最簡潔的描述,道出了相移法的前世今生:

Phase shifting technique,also called the phase-measuring profilometry(PMP) is derived from the interferometry technology and  was firstly been proposed by Srinivasan.The projector projects multiple shifted sinusoid wave patterns with constant phase increment between two consecutive patterns.

翻譯爲:

移相技術,又稱相位測量輪廓儀(PMP),是由干涉測量技術衍生而來,最早由Srinivasan提出。投影儀在兩個連續條紋圖案之間投影具有恆定相位增量的多個正弦波條紋圖案。

下面是幾個需要解釋的細節:

在PMP中,光條紋圖案投射的是正弦條紋圖案,被移位幾次,並且投射的光條紋圖案表達式可以爲

這個公式已經很常見了,這裏需要解釋的正弦波的頻率f,以及在序列條紋圖案中被解碼的投影儀座標y^{^{p}}

相機所捕獲的被物體表面調製發生畸變的條紋圖案圖像可以用下式表示

通過比較可得,,這裏的可以參考我之前的博文,裏面有多步相移的推導過程。

所以一旦已知y^{^{p}},物體的深度信息就可以被計算出來,那這裏涉及到的就是通過y^{^{p}}來計算z座標的過程,這個是需要標定來實現的,下面以相機的線性模型爲例,推導過程如下:

對頻率的解釋

如果頻率爲單位頻率,等於1,那麼所計算的相位範圍是0-2\pi(之前的博客解釋過)。

論文中有這樣描述過,如果有噪聲引入,高頻率的正弦波來產生準確的週期相位映射。爲了解決包裹相位的模糊問題,可以使用更高的頻率,空間以及時間相位解包裹技術,主要是將週期性相位映射到0-2\pi

所以可以總結到的是如果使用單位頻率就可以不要解包裹過程了。

那使用低頻所帶來的問題就是分辨率較低,那問題來了,分辨率是指什麼分辨率?頻率爲什麼可以決定分辨率?

1,該分辨率爲投影儀投射條紋圖案2pi範圍內條紋的相位分辨率;

2,頻率較高時,週期變少,條紋就會變的密集,所以條紋的相位分辨率就會變高。

 

在相移法和PMP系統中,還有一個概念需要解釋,那就是採樣頻率。

那,採樣頻率是什麼?採樣定理是什麼?爲什麼在投影儀投影和相機採集時需要滿足採樣定理?

在模數信號轉換中,當採樣頻率大於信號中最高頻率的2倍時,採樣之後的信號才能完整的保留原始信號的全部信息,這就是採樣定理,又叫奈奎斯特定理

信號的採樣過程就是通過時域中信號函數與單位響應脈衝函數的乘積來使信號離散化。那麼採樣後的信號頻譜圖像即是兩函數在頻域座標中的卷積後的結果。所以要分析採樣後的信號頻譜,就要先找出兩函數各自的頻譜,並進行卷積計算。

如下圖,採樣週期過小,信號頻譜圖每一次卷積平移之後,會互相產生交疊。

若要消除這種交疊噪聲,則需  fs>=2fm,也就是採樣頻率需要大於被採樣信號最高頻率的兩倍。

明白了採樣定理和採樣頻率,那爲什麼會用到採樣定理?

這裏我們可以類比一下,那就是在投影儀投射和相機拍照的過程中,怎麼和採樣頻率和信號頻率相對應。

首先投影儀投射的條紋圖案的正弦波是以一定的頻率生成的,投射後我們可見的圖案是模擬信號,而相機在捕獲後所得到的是數字信號,相機的捕獲過程相當於對模擬信號的一個採樣過程,則有投影儀所投射的條紋圖案的正弦信號的頻率爲信號頻率,什麼頻率是採樣頻率?

如果從上圖的描述中可以看出,採樣頻率並不是相機的拍照頻率,而是相機的像素個數,這裏需要明白相機拍照過程就是CCD採樣過程,相機的像元越小,像素就越多,纔不會丟失頻率信息,因爲相機的鏡頭截至頻率的,如果超過該截至頻率,則不能被捕獲到,也就是說這個截至所捕獲的圖像的最小尺寸是有限的。

所以相機拍攝圖像的像素個數決定投射儀投射條紋的頻率,所以這裏的採樣頻率就是相機圖像的橫向或者縱向分辨率(取決於條紋的相位方向是x方向還是y方向),即可得條紋圖案的正弦波頻率必須小於相機所拍圖像的橫(縱)方向分辨率的一半,這只是理論上的數值,實際中的條紋頻率是要遠遠小於該頻率的。

 

本文爲博主個人理解,如果有不同意見和理解的,可以聯繫博主交流(QQ:857467352)。

 

 

 

 

 

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