一種光柵投射與識別方法
2023-05-26 12:53:21
專利名稱：一種光柵投射與識別方法
技術領域：
本發明屬於結構光三維形貌測量技術，涉及對高密度光柵投射與識別方法的改進。
背景技術：
三維形貌測量系統中，圖樣投射器多採用專門設計的硬體系統，往往只能投射某種模式的圖樣。現有系統中，有的投射單根光條通過掃描實現三維形貌測量[朱洲等，基於結構光的三維全身人體掃描儀，華中科技大學學報，2004，Vol32(10)7-9]，有的則投射由多根光條形成的光柵圖樣[馮展軍等，基於光柵的三維主動視覺檢測，計量技術，2003，515-18]。實際測量中，光柵光條的密度越大，就越可以更加細緻地獲得物體的三維形貌數據。但光條密度太大時，光條的識別就發生困難，往往難以區分。因此，目前一般採用的方法是投射一定密度的可分的光柵，通過插值獲得更多的數據。插值是一種近似，必然引進近似誤差。
發明內容
本發明的目的是提出一種可投射高密度光柵並易於進行光條識別的方法，從而提高三維形貌測量的精細度，避免插值帶來的近似誤差。
本發明的技術方案是一種光柵投射與識別方法，使用數字投影儀作為光柵圖樣投射器，投影儀與一個計算機連接，通過計算機控制光柵圖樣投射器產生任意模式和任意密度的光柵，根據測量需要確定所投射原始光柵的密度，其特徵在於，1、採用「金字塔子光柵投射法」對光柵密度達到光條不能分辨程度的原始光柵進行細分，設原始光柵有N根光條，N＝2n，n為正整數，細分的具體步驟是1.1、每隔一根光條將原始光柵細分為兩幅子光柵，每幅子光柵含N/2根光條，每根光條在原來光柵中的位置不變，細分後若子光柵達到分辨要求即停止細分，否則繼續進行下一步細分；1.2、對細分後的兩幅子光柵，繼續採用1.1.1的方法進行細分，將原始光柵細分為四幅子光柵，每幅子光柵含N/4根光條，細分後若子光柵達到分辨要求即停止細分，否則繼續進行下一步細分，細分後若子光柵達到分辨要求即停止細分，否則繼續進行下一步細分；1.3、重複1.1.1的細分步驟，直到細分後的子光柵中的光條可以分辨識別為止；2、對細分後的每幅子光柵中的光條進行識別；採用空間二分編碼法進行光條識別，具體步驟是2.1、確定子光柵中的光條數；設原始光柵光條數為N，細分數為M，則細分後子光柵中的光條數為Nsub＝N/M；2.2、投射編碼光柵圖樣；對於任意一幅子光柵，每隔Nsub/2，Nsub/4，……，直到每隔1根光條投射一幅編碼光柵圖樣，一共需要投射1+log2(Nsub)幅編碼圖樣；2.3、提取當前處理子光柵中的光條中心；採用史德格的方法提取當前處理子光柵中的光條中心，並根據編碼圖樣計算光條中心的編碼，完成當前處理子光柵中的所有光條的編碼；2.4、重複步驟1.2.2和1.2.3，直到完成所有細分後子光柵光條的識別，從而完成原始高密度光柵光條的識別。
本發明的優點是1、本發明方法可實現任意密度和模式光柵的投射，非常靈活，可實現物體三維形貌的極其細緻的描述，避免插值帶來的近似誤差。
2、在光柵密度高的情況下，通過細分的策略，使得光柵光條變得稀疏而容易識別，可在一定程度上提高三維形貌測量精度。
圖1是高密度原始光柵示意圖。
圖2是本發明金字塔子光柵投射法示意圖。
圖3是具有128根光條的原始光柵圖樣。
圖4和圖5是圖3經過第一次細分以後的子光柵圖樣，每個子光柵有64根光條。
圖6是圖3經過第二次細分以後的子光柵圖樣，每個子光柵有32根光條。
圖7是圖3經過第三次細分以後的子光柵圖樣，每個子光柵有16根光條。
圖8是圖3經過第四次細分以後的子光柵圖樣，每個子光柵有8根光條。
圖9是圖3經過第五次細分以後的子光柵圖樣，每個子光柵有4根光條。
圖10是圖3經過第六次細分以後的子光柵圖樣，每個子光柵有2根光條。
圖11是圖3經過第七次細分以後的子光柵圖樣，每個子光柵有1根光條。
具體實施例方式
下面對本發明做進一步詳細說明。本發明使用目前技術條件很成熟的數字投影儀作為光柵圖樣投射器。投影儀連接到計算機上，通過計算機可以產生任意模式和任意密度的光柵。圖1是一幅投射的光柵圖樣。如圖1所示的光柵圖樣，其中的光條已經非常密集，但是還可以分辨識別。如果光柵密度達到光條不能分辨的程度，則現有技術就無法進行光條識別。若有N(N＝2n，n為正整數)根光條，本發明採用如下的細分方法來解決這個問題，稱其為「金字塔子光柵投射法」。
本發明採用「金字塔子光柵投射法」對光柵密度達到光條不能分辨程度的原始光柵進行細分，步驟如下(1)首先每隔一根光條將原來的光柵細分為兩幅子光柵，每幅子光柵含N/2根光條，每根光條在原來光柵中的位置不變，即兩幅子光柵對疊組合為原來的光柵圖樣。
(2)如果細分為兩幅子光柵後，子光柵中的光條依然達到不能分辨或者很難分辨的密度，則可以對兩幅子光柵繼續採用(1)的方法進行細分。這樣，原始的光柵被細分為四幅子光柵，每幅子光柵含N/4根光條，這樣子光柵中的光條密度進一步降低。
(3)重複步驟(1)，直到細分後的子光柵中的光條可以分辨識別。
「金字塔子光柵投射法」實際上把一幅密集的光柵細分為M＝2n(n為正整數)幅子光柵進行投射。
下面用圖2為例對「金字塔子光柵投射法」進行描述，圖2中原始光柵有16根光條。經過第一次細分成為兩幅子光柵，每幅子光柵有8根光條。經過第二次細分，每幅子光柵有4根光條。這樣，總能把原始光柵細分成光條能夠識別的子光柵。
在細分原始光柵的基礎上，本發明採用空間二分編碼法[陶國智，邾繼貴，葉聲華，「光柵式結構光傳感器的編碼方法「，航空精密製造技術，Vol.35，No.3，1999，pp.18-20.]，對細分後的每幅子光柵中的光條進行識別。識別的步驟是①假設原始光柵光條數為N，細分數為M，則細分後子光柵中的光條數為Nsub＝N/M②對於任意一幅子光柵，每隔Nsub/2，Nsub/4，……，直到每隔1根光條投射一幅編碼光柵圖樣，一共需要投射1+log2(Nsub)幅編碼圖樣。
③採用史德格(卡思登.史德格，一種曲線結構的無偏探測器，國際電氣和電子工程師協會學報.模式分析與機器智能，1998，20(2)113-125)的方法提取當前處理子光柵中的光條中心，並根據編碼圖樣計算光條中心的編碼，從而可識別光條中心屬於哪根光條。
④重複②、③，直到完成所有細分後子光柵光條的識別，從而完成原始高密度光柵光條的識別。
實施例如圖3所示原始光柵，採用128根光條，對一顯示器進行測量。顯然，由於光條太密，幾乎連成一片，給光條識別帶來很大困難。因此我們採用金字塔子光柵投射法投射兩幅子光柵，如圖4，圖5所示。然後對子光柵1和子光柵2分別用空間二分編碼法進行編碼。圖6-11所示為對子光柵1進行空間二分編碼的圖樣，光條間隔分別為32、16、8、4、2、1。
採用史德格(卡思登.史德格，一種曲線結構的無偏探測器，國際電氣和電子工程師協會學報.模式分析與機器智能，1998，20(2)113-125)的方法提取子光柵1的光條中心，根據六幅編碼圖像，用王昭提出的方法確定光條中心點的六位二進位碼值(王昭，譚玉山，空間編碼高速三維輪廓測量技術----原理和方法，雷射與紅外，Vol.28，No.4，1998，pp.238-242)。同理，子光柵2光條中心點的六位二進位碼值也可以確定。為了區分子光柵1和子光柵2對應光條的碼值，最終原始光條的編碼值引入第7位二進位碼，「0」表示子光柵1，「1」表示子光柵2。從而完成所有光條的編碼。若光柵細分為M＝2n(n為正整數)幅子光柵，則用n位二進位數來識別各子光柵。
權利要求
1.一種光柵投射與識別方法，使用數字投影儀作為光柵圖樣投射器，投影儀與一個計算機連接，通過計算機控制光柵圖樣投射器產生任意模式和任意密度的光柵，根據測量需要確定所投射原始光柵的密度，其特徵在於，1.1、採用「金字塔子光柵投射法」對光柵密度達到光條不能分辨程度的原始光柵進行細分，設原始光柵有N根光條，N＝2n，n為正整數，細分的具體步驟是1.1.1、每隔一根光條將原始光柵細分為兩幅子光柵，每幅子光柵含N/2根光條，每根光條在原來光柵中的位置不變，細分後若子光柵達到分辨要求即停止細分，否則繼續進行下一步細分；1.1.2、對細分後的兩幅子光柵，繼續採用1.1.1的方法進行細分，將原始光柵細分為四幅子光柵，每幅子光柵含N/4根光條，細分後若子光柵達到分辨要求即停止細分，否則繼續進行下一步細分，細分後若子光柵達到分辨要求即停止細分，否則繼續進行下一步細分；1.1.3、重複1.1.1的細分步驟，直到細分後的子光柵中的光條可以分辨識別為止；1.2、對細分後的每幅子光柵中的光條進行識別；採用空間二分編碼法進行光條識別，具體步驟是1.2.1、確定子光柵中的光條數；設原始光柵光條數為N，細分數為M，則細分後子光柵中的光條數為Nsub＝N/M；1.2.2、投射編碼光柵圖樣；對於任意一幅子光柵，每隔Nsub/2，Nsub/4，……，直到每隔1根光條投射一幅編碼光柵圖樣，一共需要投射1+log2(Nsub)幅編碼圖樣；1.2.3、提取當前處理子光柵中的光條中心；採用史德格的方法提取當前處理子光柵中的光條中心，並根據編碼圖樣計算光條中心的編碼，完成當前處理子光柵中的所有光條的編碼；1.2.4、重複步驟1.2.2和1.2.3，直到完成所有細分後子光柵光條的識別，從而完成原始高密度光柵光條的識別。
全文摘要
本發明屬於結構光三維形貌測量技術，涉及對高密度光柵投射與識別方法的改進。本發明首先採用「金字塔子光柵投射法」對光柵密度達到光條不能分辨程度的原始光柵進行細分，然後分別對細分後的每幅子光柵中的光條進行識別。本發明方法可實現任意密度和模式光柵的投射，非常靈活，可實現物體三維形貌的極其細緻的描述，避免插值帶來的近似誤差。
文檔編號G01B11/24GK1928491SQ20051009589
公開日2007年3月14日 申請日期2005年9月7日 優先權日2005年9月7日
發明者張廣軍, 魏振忠, 孫軍華 申請人:北京航空航天大學