一種高適應性彩色結構光三維測量方法
2023-09-14 13:20:10
專利名稱：一種高適應性彩色結構光三維測量方法
技術領域：
本發明屬於三維信息重構的技術領域，基於彩色光柵投影，結合傅立葉變換法，將條紋投影輪廓術用於物體的三維測量。整個系統涉及彩色投影光柵設計，圖像分割，相位獲取等部分。
背景技術：
三維輪廓檢測及其重構技術是計算機圖像處理技術的一個分支，是計算機視覺和計算機圖形圖像處理相結合的一個研究方向，它在生產自動化、機器人視覺、CAD、虛擬實境和醫學映像診斷等領域都有著廣泛的應用前景。由於光柵投影法具有檢測過程完全非接觸、數據空間解析度高、一次性瞬間投影直接實現三維空間物體形狀檢測和獲取三維信息等特點，同時，由於彩色圖像比黑白圖像攜帶更豐富的信息，近年來，結構光法中基於彩色光柵投影的三維測量技術得到了較大的發展。其測量方法是首先設計若干幅輔助光柵圖像，包括彩色編碼條紋和帶有不同相移角度的幾幅相移條紋圖，這些輔助圖像的設計要有利於採集圖像後的彩色圖像分割、解碼和解相位的實現。然後將它們用投影儀依次投影到被測物體表面，形成因被測物體表面形狀調製而畸變的光柵條紋，並用彩色CCD採集圖像。對採集到的彩色編碼條紋圖進行彩色圖像分割，識別各條紋的顏色和邊界，從而以此為依據解碼得到各條紋的位置編碼，即相位周期數信息，彩色圖像分割效果的好壞直接決定了解碼的質量，因此設計適當的彩色圖像分割算法至關重要，解碼算法則對應於不同的彩色編碼算法；對採集到的相移圖解相位得到主值相位信息。基於相位主值和相位周期數進行相位展開，計算得出與採集到圖像中每個像素唯一對應的絕對相位信息，進而得到被測物體的三維信息，實現三維重構。彩色光柵的優點是可利用條紋顏色記錄更多的被測物體的相位信息，達到減少圖像採集數量、提高相位法實時性的目。在光柵條紋圖中，通過給待求相位場加上已知或未知的常相位，來得到新的條紋圖，即增加求解條件。這種通過對條紋圖相位場進行移相來增加若干常量相位而得到多幅條紋圖用以求解相位場的方法，稱為相移法。固然相移法採用多幅條紋圖像解出相位，在相位求解的精度方面有突出的優勢，但這種方法通常需要向被測物體投影多幅條紋圖像，大大限制了測量動態性能的提高。在以相位法為基礎的條紋圖像處理方法中，基於傅立葉變換進行解相位通常僅需要一幅圖像，很多學者將此與彩色編碼光柵結合用於物體三維信息的提取，無疑為實現動態測量以及實時性能的改善提供的思路。基於彩色光柵投影的三維測量技術涉及兩大關鍵技術環節，即彩色編碼光柵的設計和相位的求解。彩色編碼條紋是一組指定顏色條紋的序列，其長度由測量範圍要求而定，通常以整個序列周期的投射範圍能完全覆蓋被測物體為宜。任何彩色條紋編碼都必須滿足以下條件任意相鄰兩條紋顏色不同；且任意編碼周期的顏色序列都不相同，即在解碼時不會產生歧義而導致解碼錯誤。在彩色編碼條紋的設計中，為了使條紋顏色容易區分，通常選擇顏色區分度大的純色進行編碼，對於紅色R、綠色G、藍色B三個分量，只選用0和255兩個灰階，這樣三個分量可以構成八種純色白色(255，255，25 、紅色(255，0，0)，綠色(0,255, 0)、藍色(0，0，255)、黑色(0，0，0)、青色(0，255，255)、品色(255，0，255)、黃色(255,255, 0)；其中各顏色後面的括號內分別是紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)三個分量的灰度值。顏色的選取需要根據不同顏色的特點、被測物體的特點、彩色分割的難易程度等方面的考慮來完成。彩色編碼的方法很多，其中格雷碼屬於可靠性編碼，這種編碼相鄰的兩個碼組之間只有一位不同，是一種錯誤最小化的編碼。Gray編碼的主要優點是思路簡潔明了，易於編程實現。對編碼條紋解碼的過程即是獲取條紋周期信息的過程。條紋顏色用於記錄相位周期信息，通過正確識別條紋的顏色及邊界，然後對編碼條紋正確解碼後，便可得到相位周期信息從而實現相位展開。彩色圖像分割的過程實則為還原圖像中各像素顏色的過程。彩色圖像分割有很多種經典的算法，包括基於顏色相似係數的分割方法、HSI顏色空間下的迭代閾值分割方法、基於區域的自適應閾值分割方法等。解相位主要通過兩個步驟，即求包裹相位和相位周期展開。包裹相位的求解精度較好的方法就是經典的相移法，現今，由於測量動態性能要求的日益突顯，在物體表面不存在較大高度不連續的情況下，利用基於傅立葉變化的方法解包裹相位也成為一個較好的選擇。此外，在相位展開技術上，除傳統的灰階碼法中利用7幅逐步二分的黑白條紋圖加以確定相位的周期信息，還有基於邊緣跳變檢測、基於質量圖指導等方法，此類算法一般是利用了圖像的灰度信息，並且算法實現較複雜；而利用彩色編碼攜帶的顏色信息加以確定相位周期，不但減少了採集圖像的數量，算法複雜程度低，在不影響精度的前提下，能很好的改善測量的動態性能，因此基於彩色編碼光柵投影的三維測量方法的應用日趨廣泛。綜上所述，在基於彩色光柵投影的三維測量方法中，隨著精度和速度要求的日益提高，測量對象其特性日益複雜，測量流程中彩色光柵的設計，彩色圖像分割，相位求解等都需要繼續深入的研究，以期在測量具有複雜表面特性的情況下保證精度，擴大三維測量的適用範圍。
發明內容
針對現有三維測量技術中尚存的不足和限制，本發明旨在提供一種高適應性彩色結構光三維測量方法。本發明採用如下技術方案一種高適應性彩色結構光三維測量方法，具體步驟如下步驟1 設計彩色光柵步驟11 列出用於編碼的六種純色採用對M位真彩圖像三個分量R、G、B分別賦值實現，對位真彩圖像的R、G、B分量分別是8位，有256個灰階，把每個分量只取0和255 兩個值，並將灰階為255時記為1，灰階為0時記為0，這樣R、G、B分量的取值分別為0或 1，們選取紅(100)、品紅(101)、藍(001)、青(011)、綠(010)、黃(110)六色進行編碼，步驟1.2 選擇彩色條紋的數目為33條，並為彩色條紋編號藍(001)、青(011)、 綠(010)、黃(110)、紅(100)、品紅(101)條紋編號依次記為1、2、3、4、5、6，步驟1.3 確定編碼周期，並列出長度為此編碼周期的所有可能的彩色條紋編碼組合以4個彩色條紋為編碼周期，根據步驟1. 2中設定的編號，滿足格雷編碼且編碼周期為4個彩色條紋的所有可能的彩色條紋編碼組合的集合s為s = {1234，1232，1212，1216，1654，1656，1616，1612，2345，2343，2323，2321，2165，2161，2121，2123，3456，3454，3434，3432，3216，3212，3232，3234，4561，4565，4545，4543，4321，4323，4343，4345，5612，5616，5656，5654，5432，5434，5454，5456，6123，6121，6161，6165，6543，6545，6565，6561，}步驟1. 4 確定各個編碼周期的彩色條紋編碼步驟1. 4. 1 建立彩色條紋集合I0且彩色條紋集合I0為空，將步驟1. 3中列出的所有可能的彩色條紋編碼組合的集合s作為待選區，從集合s中任意選擇一個彩色條紋編碼組合設為Sj, j = 0，並將彩色條紋編碼組合~中的四個元素依序列入彩色條紋集合I。， 在彩色條紋集合I0中形成彩色條紋序列，並將彩色條紋編碼組合~從集合s中刪除，集合 S中剩餘元素形成選擇下一個彩色條紋編碼組合的待選區Sr，步驟1. 4. 2 取彩色條紋編碼組合~的後3個元素作為當前所選彩色條紋編碼組合sj+1的前3個元素並以此作為候選條件，從待選區sr中尋找滿足候選條件的彩色條紋編碼組合，將彩色條紋編碼組合^V1的最後一個元素補入I0並列於彩色條紋序列的尾部， 同時，從sr中刪除彩色條紋編碼組合，集合s中剩餘元素形成的選擇下一個彩色條紋編碼組合的待選區，步驟1. 4. 3 如果j+1 = 33，則彩色條紋集合I0的彩色條紋序列為投影光柵的編碼，並進入步驟1. 5 ；否則，令j = j+1，返回步驟1. 4. 2，步驟1. 5 對設計完成的彩色編碼條紋序列中RGB分量依據公式(1)做正弦調製最終得到用於投影的彩色光柵，
權利要求
1. 一種基於彩色光柵投影的快速三維測量方法，其特徵在於，具體操作步驟如下 步驟1 設計彩色光柵步驟11 列出用於編碼的六種純色採用對M位真彩圖像三個分量R、G、B分別賦值實現，M位真彩圖像的R、G、B分量分別是8位，有256個灰階，把每個分量只取0和255兩種值，並將灰階為255時記為1，灰階為0時記為0，這樣R、G、B分量的取值分別為0或1，們選取紅(100)、品紅(101)、藍(001)、青(011)、綠(010)、黃(110)六色進行編碼，步驟1. 2 選擇彩色條紋的數目為33條，並為彩色條紋編號藍(001)、青(011)、綠 (010)、黃(110)、紅(100)、品紅(101)條紋編號依次記為1、2、3、4、5、6，步驟1. 3 確定編碼周期，並列出長度為此編碼周期的所有可能的彩色條紋編碼組合 以4個彩色條紋為編碼周期，根據步驟1. 2中設定的編號，滿足格雷編碼且編碼周期為4個彩色條紋的所有可能的彩色條紋編碼組合的集合s為 s = {`1234，1232，1212，1216，1654，1656，1616，1612， 2345，2343，2323，2321，2165，2161，2121，2123， 3456，3454，3434，3432，3216，3212，3232，3234， 4561，4565，4545，4543，4321，4323，4343，4345， 5612，5616，5656，5654，5432，5434，5454，5456， 6123，6121，6161，6165，6543，6545，6565，6561，}步驟1. 4 確定各個編碼周期的彩色條紋編碼步驟1. 4. 1 建立彩色條紋集合I0且彩色條紋集合I0為空，將步驟1. 3中列出的所有可能的彩色條紋編碼組合的集合s作為待選區，從集合s中任意選擇一個彩色條紋編碼組合設為Sp j = 0，並將彩色條紋編碼組合~中的四個元素依序列入彩色條紋集合I。，在彩色條紋集合I0中形成彩色條紋序列，並將彩色條紋編碼組合~從集合s中刪除，集合s中剩餘元素形成選擇下一個彩色條紋編碼組合的待選區sr，步驟1. 4. 2 取彩色條紋編碼組合~的後3個元素作為當前所選彩色條紋編碼組合J^1 的前3個元素並以此作為候選條件，從待選區sr中尋找滿足候選條件的彩色條紋編碼組合 ，將彩色條紋編碼組合^V1的最後一個元素補入I。並列於彩色條紋序列的尾部，同時，從 sr中刪除彩色條紋編碼組合，集合s中剩餘元素形成的選擇下一個彩色條紋編碼組合的待選區，步驟1. 4. 3 如果j+1 = 33，則彩色條紋集合I0的彩色條紋序列為投影光柵的編碼，並進入步驟1. 5 ；否則，令j = j+1，返回步驟1. 4. 2，步驟1. 5 對設計完成的彩色編碼條紋序列中RGB分量依據公式(1)做正弦調製最終得到用於投影的彩色光柵，
2.根據權利要求1所述的基於彩色光柵投影的快速三維測量方法，其特徵在於，對補償後的彩色光柵變形圖的處理採用如下方法步驟4. 1 將補償後的彩色光柵變形圖轉換到HSV空間，取V分量作為補償後的彩色光柵變形圖的光強分布圖，該光強分布圖表達式如下 式中，x、y分別表示橫、縱方向像素坐標，a(x，y)為背景光強，b(x，y)為調製光強，I(x， y)為彩色光柵變形圖中的光強分布圖在(x，y)位置處的光強，P為彩色投影光柵中的單個彩色條紋寬度，j為虛數單位，^U)為待測彩色光柵變形圖的包裹相位值， 由歐拉公式原理，式(5)可改寫為如下形式I (χ, y) = a (χ, y) +c (χ, y) exp (2 η jf0x) +c* (χ, y) exp (_2 η jf0x) (6) 其中，=，(7)(7)x、y分別表示橫、縱方向像素坐標，c*(x，y)為c(x，y)的共軛複數，j為虛數單位，fQ為投影光柵在參考面上未變形條紋的空間頻率，對式(6)中所示的一維光強信號I (x，y)沿著正χ方向進行一維傅立葉變換，可得， F [I (X，y) ] = A(f, y)+C (f-f0, y) +C* (f+f0, y) (8)式中 F[I(x, y)], A(f, y), C(f-f0, y), C*(f+f0, y)分別表示 I (x，y), c(x, y), c*(x, y) 對應頻域中的傅立葉頻譜，然後濾波提取含有相位信息的基頻分量C(f-f^，y)，通過基頻分量做逆傅立葉變換得到c (x, y) exp (2 π jf0x)，得到彩色光柵變形圖的包裹相位圖，包裹相位值為這裡解得的樹U)變化範圍為0 2 π，即每經歷一個2 π的變化發生一次周期跳變， 最終得到包裹相位信息，步驟4. 2 對補償後的彩色光柵變形圖進行彩色分割將補償後的彩色光柵變形圖轉換至HSV空間，將S分量與V分量均賦值為255以消除亮度和飽和度的影響，然後將處理後的彩色光柵變形圖轉換回RGB空間，對RGB三分量分別用大津法進行閾值分割， 步驟4. 3 解碼對步驟4. 2得到的彩色分割結果進行解碼，得出彩色分割結果中的彩色條紋與用於投影的彩色光柵中各條紋的對應關係，即求得它們對應的位置編碼，這個位置編碼也就是相位周期性展開中用到的相位周期信息，解碼的具體步驟如下步驟4. 3. 1 數據預處理，首先建立一個標誌數組，其元素數與圖像中像素數相等，即數組的每個元素都與圖像中相應位置的像素對應，將圖像中出現的六種顏色藍色、青色、綠色、黃色、紅色、品紅編號為1、2、3、4、5、6，標誌數組中存儲的就是彩色分割結果對應位置像素的顏色編號，這樣可以避免在後續處理中多次訪問像素的三個顏色分量而影響處理速度，步驟4. 3. 2 對標誌數組進行遍歷，把其中的分量分組為背景部分和有用條紋信息部分，以減少需要處理的數據量，步驟4. 3. 3 逐行遍歷得出改善後的彩色分割結果中各行各像素對應彩色條紋的位置編碼①從左到右遍歷第i行像素，標誌出各條紋的邊界，並根據步驟4.1中得到的包裹相位圖中邊界跳變信息對彩色分割結果中的條紋邊界加以修正，②判斷出彩色分割結果中各條紋的位置編碼。從左到右依次取出各個編碼周期的條紋，即每次取出相鄰的四個條紋，將其排列順序與用於投影的彩色光柵中的條紋序列進行對比，由於相鄰四個條紋的組合都是唯一的，當找到匹配的組合時，就能確定取出的四個條紋的位置編碼，同理確定該行所有條紋的位置編碼，③用各像素所屬條紋的位置編碼取代標誌數組中的顏色編號，只要該位置像素不屬於背景部分，則把對應位置的元素值換成該像素所屬條紋的位置編號，即對應於彩色光柵變形圖中攜帶的相位周期信息，步驟4. 4 包裹相位的展開將步驟4. 3中得到的對應於彩色光柵變形圖中攜帶的相位周期信息結合步驟4. 1中得到的包裹相位信息，依據式(10)對相位展開得到最終相位 Φ (χ， y)，φ(χ,γ) = /^φ + 2π(η-\)(10)式中，η為條紋位置編號，即相位的周期信息，Δ^為包裹相位。
全文摘要
一種三維掃描系統中基於彩色結構光的高適應性三維測量方法，選用6種純色根據格雷編碼原理進行編碼，並對其中R、G、B三分量同時進行正弦調製得到用於投影的彩色光柵，並根據該彩色光柵設計其輔助光柵。將設計好的彩色光柵與輔助光柵投向被測物體，對採集到的兩幅光柵變形圖進行疊加運算以得到各像素的反射率，根據各像素的反射率對光柵變形圖進行補償。將補償後的光柵變形圖進行彩色圖像分割，對分割後的圖像進行解碼之後即得到對應的相位周期信息。另一方面，將補償後的光柵變形圖灰度化後採用傅立葉變換法得到各像素的包裹相位值。結合解碼得到的各像素的相位周期信息，實現相位展開。最後根據相位和物體高度信息的對應關係實現三維重構。
文檔編號G01B11/25GK102519394SQ20111036686
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者胡路遙, 達飛鵬, 陸海洲 申請人:東南大學