CN101726259A - 梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3d测量方法 - Google Patents

Abstract

梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，光学三维测量技术属于非接触测量，不需接触被测物表面和高采样密度是其主要优点。光学三维测量技术中，结构光编码法以其准确度高、测量速度快、成本低等优点在三维重构、工业测量等领域有着广泛的应用前景。(1)首先采用向被测物投射二值灰度格雷码，用最少的编码步获得格雷码周期；(2)然后依次投射三幅梯形相移灰度强度码，在其格雷码基础上给出更高精度的测量空间划分；(3)两者的结合获得连续单值的测量空间划分，从而获得三维坐标值。本发明应用于三维测量技术中。

Description

梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法

技术领域：

本发明涉及一种梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法。

背景技术：

现有的时间编码方法均以二进制码、格雷码(Gray)码为基础进行投射角划分或在此基础上结合四步相移法或垂直分层法等对投射角进一步细分。

单用格雷码对投射角进行划分时，仅能对测量空间进行有限划分，划分的每个最细条纹对应一个离散值，测量空间点也仅能获得有限的空间编码值。因此，相邻的被测点在一个方向上会具有相同的编码值，即最细条纹内所有的测量点具有同一格雷码值。对于高精度的三维测量，格雷码测量精确度不够高。而采用相移法，可以计算出每个被测空间点的相位来表示空间位置，相位是连续的，在同一方向上和同一周期内每个空间点的相位值是唯一的。该方法在理论上能够对空间进行无限细分，可获得连续的测量空间划分。具有消除背景项和检测器的偶次谐波含常数项影响的优点。在相移的一个周期里，该值是唯一的，但是在整个测量空间内该值不唯一，限制了相移方法在三维测量技术中的独立使用。所以，我们提出格雷码和相移结合的编码方法，两种方法的结合即可以保留各自的优点，又可以弥补缺点。但是格雷码与普通相移的结合，虽然解决了投射角连续问题，但对于空间点测量准确度、采样密度却没有实质性的提高，而且需要再投射全亮全暗图案进行归一化，这种方法会有庞大的反正切的计算，计算量非常大，限制了测量的速度。并且这两种方法的结合存在着一个格雷码周期的大误差，无法保证准确度。

发明内容：

本发明的目的是提供一种梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，针对上述叙述的不足，实现用最少的编码步获得周期，并通过投射梯形相移灰度强度码对区间进行精确划分的结构光3D测量技术，本发明计算量小，相对传统技术简单，并且实现自我归一化，减少了投射次数，而且本发明保证解码无一个格雷码周期大误差，提高了准确度。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

这个技术方案有以下有益效果：

1.在现代工业产品的设计和生产中，为提取产品的空间信息而进行的三维测量是人们普遍关注的问题，这种基于视觉概念的非接触三维测量技术是以三维视觉传感器所得到的图形、图像为基础来恢复物体的三维形状。该技术可在医学、考古、服装、制鞋、雕刻、假肢等行业对人体形状和产品模型进行测量，可对不允许接触的复杂工艺品或弹、塑性材料制品的形状进行测量，特别是在CAD、CAM、逆向工程(RE)、快速原形(RP)等领域都迫切需要应用这种测量技术，这涉及到汽车制造、通信、家电、玩具、模具、航天和五金等诸多行业，它在工业生产和现实生活中有着广阔的应用前景。

光学三维测量技术属于非接触测量，不需接触被测物表面和高采样密度是其主要优点。光学三维测量技术中，结构光编码法以其准确度高、测量速度快、成本低等优点在三维重构、工业测量等领域有着广泛的应用前景。

目前视觉三维检测技术的重点发展方向包括结构光、立体图像、莫尔法、全息法、激光雷达等方法，其中结构光法显示了在分辨率及测量速度上的优势。

结构光法是将投射器发出的光经过光学系统形成点、线、编码图案等形式投向景物，在景物上形成图案并有摄像机摄取，而后由图像根据三角法和传感器结构参数进行计算、得到景物表面的深度图像，进一步计算出物面的三维坐标值。

相比投射点、线光束的结构光扫描法，结构光编码法相景物投射编码图案，大大提高了测量速度并解决了扫描图案混淆问题，在通过标定获得系统参数的前提下，确定图像采样点并将其与物面采样点、编码图案中编码条纹区域对应起来，是结构光编码研究的主要问题，编码方法可分为时间编码、空间编码和直接编码、三者各具优点。

本发明采用二值灰度格雷码和梯形灰度相移强度码两种循环码的结合，综合了两种方法的优点，并且用强度比代替传统的相位计算，具有计算简单、精确度高的优点。

2.本发明方法采用梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，相对格雷码编码法而言，勿需进行全亮和全暗图像，能够实现自我归一化。

3.本发明方法提出了梯形强度斜坡中心对应格雷码跳变点编码方法，保证了解码时无一个周期的大误差，仅存在一个像素的误差，大大提高了准确度。

4.本发明方法采用梯形相移强度比，其强度比变化相对强度比法而言由1升为6，测量范围增大。

附图说明：

附图1是本发明方法的流程图。

附图2是格雷码投射图案。

附图3是强度码图案横截面。

附图4a是一个格雷码周期内梯形相移强度码斜坡中心对应格雷码跳变点方法图示。

附图4b是传统格雷码与相移结合方法对应关系图

附图5是强度比值r在一个格雷码最小周期内的值。

附图6a是强度比r_Ф在前6个格雷码周期的图线。

附图6b是强度比r_Ψ在前6个格雷码周期内的线性图线。

附图7是梯形相移强度码扫描角与其它角关系示意图。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

结合附图1及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，包括以下步骤：

(1)首先采用向被测物投射二值灰度格雷码编码光，如附图2，用最少的编码步获得格雷码周期；

(2)然后依次投射三幅梯形相移灰度强度码光，在其格雷码基础上给出更高精度的测量空间划分；

(3)两者的结合获得连续单值的测量空间划分，从而获得三维坐标值。

第(1)步中，首先我们投射n幅不同的二值灰度格雷码图案到物体上，然后采集n幅灰度图像到电脑中，对n幅图像进行二值化，根据二值化的值按照编码顺序判断出编码周期K。

步骤(2)中我们向被测物体投射三幅梯形相移灰度强度码图案。

图案的强度写为(1)式：

$I_1=\left\{\begin{array}{cc}y=I^{\′}(x,y)+I^{\′\′}(x,y)(\frac{1}{2}+\frac{5}{T}x-6K)& x\∈[-\frac{T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{T}{10}+\frac{6T}{5}K]\\ y=I^{\′}(x,y)+I^{\′\′}(x,y)& x\∈[\frac{T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{5T}{10}+\frac{6T}{5}K]\\ y=I^{\′}(x,y)+I^{\′\′}(x,y)(6K+\frac{7}{2}-\frac{5}{T}x)& x\∈[\frac{5T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{7T}{10}+\frac{6T}{5}K]\\ y=I^{\′}(x,y)& x\∈[\frac{7T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{11T}{10}+\frac{6T}{5}K]\end{array}\right.,(x\≥0,I^{\′}+I^{\′\′}\≥y\≥I^{\′})$

$I_2=\left\{\begin{array}{cc}y=I^{\′}(x,y)& x\∈[-\frac{T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{3T}{10}+\frac{6T}{5}K]\\ y=I^{\′}(x,y)+I^{\′\′}(x,y)(\frac{5}{T}x-\frac{3}{2}-6K)& x\∈[\frac{T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{5T}{10}+\frac{6T}{5}K]\\ y=I^{\′}(x,y)+I^{\′\′}(x,y)& x\∈[\frac{5T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{9T}{10}+\frac{6T}{5}K]\\ y=I^{\′}(x,y)+I^{\′\′}(x,y)(6K+\frac{11}{2}-\frac{5}{T}x)& x\∈[\frac{9T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{11T}{10}+\frac{6T}{5}K]\end{array}\right.,(x\≥0,I^{\′}+I^{\′\′}\≥y\≥I^{\′})---\left(1\right)$

$I_3=\left\{\begin{array}{cc}y=I^{\′}(x,y)+I^{\′\′}(x,y)& x\∈[-\frac{3T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{T}{10}+\frac{6T}{5}K]\\ y=I^{\′}(x,y)+I^{\′\′}(x,y)(6K+\frac{3}{2}-\frac{5}{T}x)& x\∈[\frac{T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{3T}{10}+\frac{6T}{5}K]\\ y=I^{\′}(x,y)& x\∈[\frac{3T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{7T}{10}+\frac{6T}{5}K]\\ y=I^{\′}(x,y)+I^{\′\′}(x,y)(\frac{5}{T}x-6K-\frac{7}{2})& x\∈[\frac{7T}{10}+\frac{6T}{5}K,\frac{9T}{10}+\frac{6T}{5}K]\end{array}\right.,(x\≥0,I^{\′}+I^{\′\′}\≥y\≥I^{\′})$

(1)式中，T为一个最小格雷码周期节距，K为格雷码的周期，I′为最小强度，I″为强度调制，本例中，K为(0，15)。起点处I为

x＞0，I′≤y≤I′+I″，强度图案横截面如图3所示。

三幅梯形相移强度码图案依次相差2T/5，T为一个格雷码最小周期，我们规定格雷码最小周期为20个像素，而且相移强度码的中心对应格雷码斜坡跳变点，如图4a所示。

本发明以投射四幅格雷码和三幅梯形相移强度循环码为例，进一步描述该方法。梯形相移强度比为(2)式：

$r(x,y)=\frac{I_{\mathrm{med}}(x,y)-I_{\min }(x,y)}{I_{\max }(x,y)-I_{\min }(x,y)}---\left(2\right)$

式中，I_med(x，y)、_min(x，y)、I_max(x，y)分别是三幅图像中点(x，y)的中间值、最小值和最大值强度。r(x，y)的值为(0，1)，如图5所示。用公式(3)去掉斜坡后为：

$r_{\mathrm{\Φ}}(x,y)=2\×\mathrm{round}\left(\frac{N-1}{2}\right)+{(-1)}^{N+1}\frac{I_{\mathrm{med}}(x,y)-I_{\min }(x,y)}{I_{\max }(x,y)-I_{\min }(x,y)}---\left(3\right)$

r_Ф(x，y)的取值范围为(0，6)。如图6a。

为把r_Ф(x，y)在整个量程中变成线性连续的，做如下判断，见公式(4)

$\left\{\begin{array}{ccc}k=0,\mathrm{6,12}& r_{\mathrm{\Ψ}}=6k+r_{\mathrm{\Φ}}& \\ k=\mathrm{1,7,13}& \left\{\begin{array}{c}N=6\\ N\∠6\end{array}\right.& \begin{array}{c}{r}_{\mathrm{\Ψ}}=6(k-1)+r_{\mathrm{\Φ}}\\ r_{\mathrm{\Ψ}}=6k+r_{\mathrm{\Φ}}\end{array}\\ k=\mathrm{2,8,14}& \left\{\begin{array}{c}N\≥5\\ N\∠5\end{array}\right.& \begin{array}{c}{r}_{\mathrm{\Ψ}}=6(k-1)+r_{\mathrm{\Φ}}\\ r_{\mathrm{\Ψ}}=6k+r_{\mathrm{\Φ}}\end{array}\\ k=\mathrm{3,9,15}& \left\{\begin{array}{c}N\≥4\\ N\∠4\end{array}\right.& \begin{array}{c}{r}_{\mathrm{\Ψ}}=6(k-1)+r_{\mathrm{\Φ}}\\ r_{\mathrm{\Ψ}}=6k+r_{\mathrm{\Φ}}\end{array}\\ k=\mathrm{4,10}& \left\{\begin{array}{c}N\≥3\\ N\∠3\end{array}\right.& \begin{array}{c}{r}_{\mathrm{\Ψ}}=6(k-1)+r_{\mathrm{\Φ}}\\ r_{\mathrm{\Ψ}}=6k+r_{\mathrm{\Φ}}\end{array}\\ k=\mathrm{5,11}& \left\{\begin{array}{c}N\≥3\\ N\∠3\end{array}\right.& \begin{array}{c}{r}_{\mathrm{\Ψ}}=6(k-1)+r_{\mathrm{\Φ}}\\ r_{\mathrm{\Ψ}}=6k+r_{\mathrm{\Φ}}\end{array}\end{array}\right.---\left(4\right)$

如图6b为强度比r_Ψ在整个量程中的比值图。

步骤(3)中根据强度码与格雷码的对应关系，如附图7，可以求出扫描角，然后根据三角法就可以得到点的三维坐标值。

实施例2：

传统格雷码结构光测量法，需要在投射格雷码图案的基础上，再投射两幅全亮和全暗的图像，然后进行归一化，否则测量无法进行。而本发明相对格雷码而言，三幅梯形相移格雷码中每个像素都具有最大值和最小值，具有自我归一化的特点，勿需全亮和全暗图像。在确保测量精度的同时，减少了投射次数，使测量简单化。

实施例3：

提出梯形相移灰度强度码梯形斜坡中心对应格雷码跳变点方法。

以往的格雷码结合相移法(如上海交通大学国家模具CAD工程研究中心提出一种相位结合格雷(Gray)编码)用于结构光测量系统投射角空间的划分时，格雷码周期和相移周期边缘完全对应，在实际求取绝对相位时，其在解码后得到的初步周期分布并不和理论值一样，而是在投射图案的周期边界处存在1个条纹周期误差，我们称为周期错位。

针对这一问题，本发明提出梯形相移强度比法梯形斜坡中心对应格雷码跳变点方法，如图4a，在所投射的梯形相移强度码图案中，根据I值的大小进行排序，判断像素处于哪个周期。N为区域号，在一个周期里N＝1，2，…6，式(5)为判断N值的方法：

本发明中强度码斜坡中心对应格雷码跳变点的方法，传统方法中格雷码跳变点与相移边缘严格对齐，而且一个格雷码最小周期为6N，即24个像素。如图4b所示，M点强度码为(中01)，此点为格雷码跳变边缘值，一旦出现干扰变为(0中1)这个错误在误差范围内，众所周知，格雷码误差范围不允许M点被译为(10中)。此时导致点被译为格雷码结束处，所以会有近一个格雷码周期的误差。本发明中我们将格雷码跳变处与强度码斜坡中心点对应，如图4a，以M点为例，其强度码为(中01)，若错为(10中)，则只有一个强度码误差；但若错为(0中1)，则接近一个格雷码周期误差出现。但是M点强度值理论上为0.6，所对应的低位N处于0的平坦处，所以误差范围内不会允许出现0和中的反位误差。同理，所有边缘上的点都可以同样证明。所以，本发明避免了一个格雷码周期的误差，只有接近一个像素的误差。而且，本发明将一个最小格雷码周期像素数缩减为20个，避免了一个格雷码周期内开始和结尾处都处于一个强度码，无法区分的缺点，并且避免了当格雷码出错时，导致的一个格雷码周期的误差。

实施例4：

相对以往的强度比方法，本发明采用投射三幅图像，根据公式(3)取整，得到

$r_{\mathrm{\Φ}}(x,y)=2\×\mathrm{round}\left(\frac{N-1}{2}\right)+{(-1)}^{N+1}\frac{I_{\mathrm{med}}(x,y)-I_{\min }(x,y)}{I_{\max }(x,y)-I_{\min }(x,y)}---\left(3\right)$

强度比r的变化范围从1变为6，这使得测量范围增大，测量更为精确。

Claims (7)

1.一种梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，其特征是：

(1)首先采用向被测物投射二值灰度格雷码，用最少的编码步获得格雷码周期；

(2)然后依次投射三幅梯形相移灰度强度码，在其格雷码基础上给出更高精度的测量空间划分；

(3)两者的结合获得连续单值的测量空间划分，从而获得三维坐标值。

2.根据权利要求1所述的梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，其特征是：所述的步骤(1)是投射n幅不同的二值灰度格雷码图案到物体上，采集n幅灰度图像到电脑中，对n幅图像进行二值化，根据二值化的值按照编码顺序判断出编码周期K。

3.根据权利要求1所述的梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，其特征是：所述的步骤(2)是采用梯形相移强度码在已得到编码周期的基础上对被测物体进行更高精度的测量空间划分，此强度码为循环码；

向被测物投射三幅梯形相移强度码图案，依次相差2T/5，T为一个格雷码周期，根据同一点在三幅图像中的大小中值判断N，N∈[1，6]，N是强度码周期，每6个强度码形成一个周期，利用公式将强度比值由(0，1)扩展到(0，6)，扩大了测量范围。

4.对根据权利要求1所述的梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，其特征是：所述的步骤(3)是采用二值灰度格雷码周期K与梯形相移灰度强度码N相结合得到点的三维坐标值；

根据格雷码周期K和强度码N将强度比值线性化，得到连续变化的强度比值，将强度比值映射到投射角，通过投射角得到三维坐标值。

5.根据权利要求1或2或3所述的梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，其特征是：采用梯形相移灰度强度码对编码图像进行投射时，三幅强度码图案中总有一幅梯形斜坡中心点与格雷码最小周期跳变点相对应，每一幅图案相差2T/5个周期。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，其特征是：三幅强度码图案每个点都有全亮全暗，勿需再投射全亮图案和全暗图案对格雷码进行归一化，减少投射次数。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的梯形灰度和二值灰度相结合的循环码3D测量方法，其特征是：一个格雷码最小周期为20个像素，使得强度码在一个格雷码周期内比传统的方法减少了4个像素，即一个格雷码周期只包括5/6个强度码周期。

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