一種用於線結構光三維測量的解碼方法
2023-10-17 00:21:44
一種用於線結構光三維測量的解碼方法
【專利摘要】本發明是三維傳感技術中一種針對線結構光圖案的解碼方法。用投影設備對被測物體進行線掃描，用攝像裝置記錄下線結構光圖像序列，採用閾值法對圖像序列進行預處理，濾除圖像中信噪比偏低的背景區域，對預處理後的圖像序列進行加權求和以及點除運算得到投影空間坐標圖，最後利用攝像空間與投影空間的坐標對應關係和系統標定參數獲得被測物體表面的三維坐標。本發明可用於包括雷射線掃描的線結構光三維測量技術。本發明解碼方案具有計算效率高、抗幹擾能力強和測量精度高的優點。
【專利說明】一種用於線結構光三維測量的解碼方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學三維傳感技術，特別是涉及通過投影線結構光實現對目標物體表面的三維測量。
【背景技術】
[0002]本發明涉及光學三維測量中線結構光圖案的解碼方案。結構光三維測量是用投影裝置向目標物體投射結構光編碼圖案，再用攝像裝置同步拍攝，通過解碼得到攝像空間與投影空間的對應關係，進而利用三角原理獲得目標物體的三維坐標。線結構光掃描，特別是雷射線掃描，被廣泛應用於工業三維測量。現有線結構光圖案的解碼方案主要是基於對攝像裝置獲取的雷射條紋的峰值進行檢測。例如Rub6n Usamentiaga等在論文「Fast and robust laser stripe extract1n for 3D reconstruct1n in industrialenvironments[J].Machine Vis1n and Applicat1ns, 2012, 23(1): 179-196」中介紹了一種雷射線掃描三維測量的解碼方法，該方法主要分為雷射條紋峰值檢測和雷射條紋的連接兩個部分。雷射條紋峰值檢測通過對攝像頭圖像進行閾值分割確定雷射條紋所在的高亮度區域，同時過濾無雷射區域以及信噪比較低的區域；然後在雷射條紋區域通過質心檢測得到雷射線的峰值點。在雷射條紋的連接步驟中，首先對檢測到的雷射線進行分段，每一段用多項式或樣條曲線進行參數化表示；其次判斷並去除雷射線中的異常點；最後根據鄰域信息對雷射曲線段之間的缺口進行插值；這樣就在攝像頭圖像中得到了完整的雷射條紋的位置信息。其方法存在以下缺陷:(1)需要進行峰值檢測、曲線擬合、異常點檢測與間斷點插值等一系列圖像處理步驟，計算過程繁瑣，計算效率不高。(2)峰值檢測等解碼過程受環境光、被測物體反射率不一致等幹擾因素影響較大，抗幹擾能力較弱。(3)雷射條紋的峰值檢測精確度受圖像獲取條件影響較大，曲線參數化和間斷點插值過程也引入了誤差，導致該方法精確度有限。如何克服現有解碼方法計算效率低、抗幹擾能力弱、精度有限的缺點，在保證測量精度的同時提高解碼效率以及增強抗幹擾能力，應用本發明提及的方案就可以解決這一關鍵技術問題。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對目前用於線結構光三維測量的解碼方案計算效率低、抗幹擾能力弱、精度有限的缺陷，提供一種新的解碼方法，該方法在達到較高測量精度的同時具有很高計算效率和很強的抗幹擾能力。
[0004]本發明的目的是採用下述技術方案來實現的:
用投影設備對被測物體進行線掃描，用攝像裝置記錄下線結構光圖像序列，對圖像序列預處理，採用閾值法提取圖像中的掃描線區域，並將掃描線以外的像素區域灰度值設置為0，預處理後的圖像序列表示為
]■?，用掃描線在投影空間中的位移作為權值對圖像序列it加權求和得到圖像/γ，對圖像
KKIN序列I;直接求和得到圖像/D,用點除/D得到投影空間坐標圖，最後利用攝像空間與投影空間的對應關係和系統標定參數確定被測物體表面的三維坐標。
[0005]本發明與現有技術相比有如下優點:
與現有線結構光解碼方法相比，因為本發明不需要進行峰值檢測、曲線擬合、異常點檢測與間斷點插值等一系列繁瑣的圖像處理步驟，只涉及對圖像序列的(加權)求和運算以及對兩幅圖的點除運算，所以計算效率更高；由於本發明在對圖像序列的處理過程中不涉及鄰域操作，即對每個像素點的操作是獨立進行的，所以抗幹擾能力更強，系統運行更穩定；本解碼方法得到的攝像空間與投影空間的對應關係具有子像素精度，從而能保證較高的三維測量精確度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1為本發明三維測量系統結構圖。
[0007]圖2為本發明三維測量方法的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0008]下面結合附圖、工作原理對本發明作進一步詳細說明。
[0009]附圖1為本發明三維測量系統結構圖。採用的裝置有I臺CAS1 XJ-M140投影機，投影機緩存幀大小為800χ 600像素，灰度量化等級為8bit，投影機最大輸出頻率為150幀/s ;1個Prosilica GC650工業攝像頭，解析度為640x 4S0像素，灰度量化等級為8bit，攝像頭最大捕捉頻率為62幀/S。I臺具有Core ?3 3530 CPU，4GB內存的計算機。由計算機對結構光投影和拍攝過程進行控制。附圖2為本實施例線結構光三維測量方法流程圖。本實例具體實施步驟如下:
(O對攝像頭和投影機進行標定，分別得到攝像頭與投影機大小為3 X 4的投影矩陣M M
VC、%%-p O
[0010](2)生成線結構光圖案。垂直方向掃描的線結構光圖案序列可以表示為:
其中，表示投影機空間坐標；/f表示線結構光圖案在像素點處的灰度值；J為投影線條紋的幅值；d-表示單位衝擊函數，即滿足00)+= I,且當X # O時d1x>= O 表示投影機空間的高度；μ表示掃描線的位移係數，當η分別取
0.L.…Hp — I時,/$.'/)分別對應掃描線處於第a IHp — I行的圖案。這裡線結構光圖案參數取值為:A = 255 , H9 = 800。
[0011](3)對目標物體進行線結構光掃描。用投影機把上述結構光圖案序列/:依次投射到目標物體表面，為了下一步圖像預處理的需要，另外分別投射純黑和純白兩幅圖案，純黑和純白兩幅圖案分別表示為
【權利要求】
1.一種用於線結構光三維測量的解碼方法，其特徵在於用投影設備對被測物體進行線掃描，用攝像裝置記錄下線結構光圖像序列，對圖像序列預處理，使每幅圖像背景區域的像素值為O，預處理後的圖像序列表示為用掃描線在投影空間中的位移作為權值對圖像序列t加權求和得到圖像4，對圖像序列？；直接求和得到圖像iD，用4點除/D得到投影空間坐標圖。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所說的用投影設備對被測物體進行線掃描，包括用雷射掃描裝置對被測物體進行雷射線掃描、用投影機向被測物體投射採用計算機設計編碼的線結構光圖案。
3.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所說的對圖像序列預處理，是採用閾值法提取圖像中的掃描線區域，並將掃描線以外的像素區域灰度值設置為O，目的是消除無關區域對解碼的影響。
4.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所說用/x點除/!>得到投影空間坐標圖，目的是獲取攝像空間坐標與投影空間坐標的對應關係，進而根據系統標定參數確定被測物體表面的三維坐標。
【文檔編號】G06T7/00GK104200456SQ201410329788
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月11日 優先權日:2014年7月11日
【發明者】劉凱, 龍雲飛 申請人:四川大學