专利名称：一种高适应性彩色结构光三维测量方法
技术领域：
本发明属于三维信息重构的技术领域，基于彩色光栅投影，结合傅里叶变换法，将条纹投影轮廓术用于物体的三维测量。整个系统涉及彩色投影光栅设计，图像分割，相位获取等部分。
背景技术：
三维轮廓检测及其重构技术是计算机图像处理技术的一个分支，是计算机视觉和计算机图形图像处理相结合的一个研究方向，它在生产自动化、机器人视觉、CAD、虚拟现实和医学映像诊断等领域都有着广泛的应用前景。由于光栅投影法具有检测过程完全非接触、数据空间分辨率高、一次性瞬间投影直接实现三维空间物体形状检测和获取三维信息等特点，同时，由于彩色图像比黑白图像携带更丰富的信息，近年来，结构光法中基于彩色光栅投影的三维测量技术得到了较大的发展。其测量方法是首先设计若干幅辅助光栅图像，包括彩色编码条纹和带有不同相移角度的几幅相移条纹图，这些辅助图像的设计要有利于采集图像后的彩色图像分割、解码和解相位的实现。然后将它们用投影仪依次投影到被测物体表面，形成因被测物体表面形状调制而畸变的光栅条纹，并用彩色CCD采集图像。对采集到的彩色编码条纹图进行彩色图像分割，识别各条纹的颜色和边界，从而以此为依据解码得到各条纹的位置编码，即相位周期数信息，彩色图像分割效果的好坏直接决定了解码的质量，因此设计适当的彩色图像分割算法至关重要，解码算法则对应于不同的彩色编码算法；对采集到的相移图解相位得到主值相位信息。基于相位主值和相位周期数进行相位展开，计算得出与采集到图像中每个像素唯一对应的绝对相位信息，进而得到被测物体的三维信息，实现三维重构。彩色光栅的优点是可利用条纹颜色记录更多的被测物体的相位信息，达到减少图像采集数量、提高相位法实时性的目。在光栅条纹图中，通过给待求相位场加上已知或未知的常相位，来得到新的条纹图，即增加求解条件。这种通过对条纹图相位场进行移相来增加若干常量相位而得到多幅条纹图用以求解相位场的方法，称为相移法。固然相移法采用多幅条纹图像解出相位，在相位求解的精度方面有突出的优势，但这种方法通常需要向被测物体投影多幅条纹图像，大大限制了测量动态性能的提高。在以相位法为基础的条纹图像处理方法中，基于傅里叶变换进行解相位通常仅需要一幅图像，很多学者将此与彩色编码光栅结合用于物体三维信息的提取，无疑为实现动态测量以及实时性能的改善提供的思路。基于彩色光栅投影的三维测量技术涉及两大关键技术环节，即彩色编码光栅的设计和相位的求解。彩色编码条纹是一组指定颜色条纹的序列，其长度由测量范围要求而定，通常以整个序列周期的投射范围能完全覆盖被测物体为宜。任何彩色条纹编码都必须满足以下条件任意相邻两条纹颜色不同；且任意编码周期的颜色序列都不相同，即在解码时不会产生歧义而导致解码错误。在彩色编码条纹的设计中，为了使条纹颜色容易区分，通常选择颜色区分度大的纯色进行编码，对于红色R、绿色G、蓝色B三个分量，只选用0和255两个灰阶，这样三个分量可以构成八种纯色白色(255，255，25 、红色(255，0，0)，绿色(0,255, 0)、蓝色(0，0，255)、黑色(0，0，0)、青色(0，255，255)、品色(255，0，255)、黄色(255,255, 0)；其中各颜色后面的括号内分别是红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三个分量的灰度值。颜色的选取需要根据不同颜色的特点、被测物体的特点、彩色分割的难易程度等方面的考虑来完成。彩色编码的方法很多，其中格雷码属于可靠性编码，这种编码相邻的两个码组之间只有一位不同，是一种错误最小化的编码。Gray编码的主要优点是思路简洁明了，易于编程实现。对编码条纹解码的过程即是获取条纹周期信息的过程。条纹颜色用于记录相位周期信息，通过正确识别条纹的颜色及边界，然后对编码条纹正确解码后，便可得到相位周期信息从而实现相位展开。彩色图像分割的过程实则为还原图像中各像素颜色的过程。彩色图像分割有很多种经典的算法，包括基于颜色相似系数的分割方法、HSI颜色空间下的迭代阈值分割方法、基于区域的自适应阈值分割方法等。解相位主要通过两个步骤，即求包裹相位和相位周期展开。包裹相位的求解精度较好的方法就是经典的相移法，现今，由于测量动态性能要求的日益突显，在物体表面不存在较大高度不连续的情况下，利用基于傅里叶变化的方法解包裹相位也成为一个较好的选择。此外，在相位展开技术上，除传统的灰阶码法中利用7幅逐步二分的黑白条纹图加以确定相位的周期信息，还有基于边缘跳变检测、基于质量图指导等方法，此类算法一般是利用了图像的灰度信息，并且算法实现较复杂；而利用彩色编码携带的颜色信息加以确定相位周期，不但减少了采集图像的数量，算法复杂程度低，在不影响精度的前提下，能很好的改善测量的动态性能，因此基于彩色编码光栅投影的三维测量方法的应用日趋广泛。综上所述，在基于彩色光栅投影的三维测量方法中，随着精度和速度要求的日益提高，测量对象其特性日益复杂，测量流程中彩色光栅的设计，彩色图像分割，相位求解等都需要继续深入的研究，以期在测量具有复杂表面特性的情况下保证精度，扩大三维测量的适用范围。
发明内容
针对现有三维测量技术中尚存的不足和限制，本发明旨在提供一种高适应性彩色结构光三维测量方法。本发明采用如下技术方案一种高适应性彩色结构光三维测量方法，具体步骤如下步骤1 设计彩色光栅步骤11 列出用于编码的六种纯色采用对M位真彩图像三个分量R、G、B分别赋值实现，对位真彩图像的R、G、B分量分别是8位，有256个灰阶，把每个分量只取0和255 两个值，并将灰阶为255时记为1，灰阶为0时记为0，这样R、G、B分量的取值分别为0或 1，们选取红(100)、品红(101)、蓝(001)、青(011)、绿(010)、黄(110)六色进行编码，步骤1.2 选择彩色条纹的数目为33条，并为彩色条纹编号蓝(001)、青(011)、 绿(010)、黄(110)、红(100)、品红(101)条纹编号依次记为1、2、3、4、5、6，步骤1.3 确定编码周期，并列出长度为此编码周期的所有可能的彩色条纹编码组合以4个彩色条纹为编码周期，根据步骤1. 2中设定的编号，满足格雷编码且编码周期为4个彩色条纹的所有可能的彩色条纹编码组合的集合s为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，}步骤1. 4 确定各个编码周期的彩色条纹编码步骤1. 4. 1 建立彩色条纹集合I0且彩色条纹集合I0为空，将步骤1. 3中列出的所有可能的彩色条纹编码组合的集合s作为待选区，从集合s中任意选择一个彩色条纹编码组合设为Sj, j = 0，并将彩色条纹编码组合~中的四个元素依序列入彩色条纹集合I。， 在彩色条纹集合I0中形成彩色条纹序列，并将彩色条纹编码组合~从集合s中删除，集合 S中剩余元素形成选择下一个彩色条纹编码组合的待选区Sr，步骤1. 4. 2 取彩色条纹编码组合~的后3个元素作为当前所选彩色条纹编码组合sj+1的前3个元素并以此作为候选条件，从待选区sr中寻找满足候选条件的彩色条纹编码组合，将彩色条纹编码组合^V1的最后一个元素补入I0并列于彩色条纹序列的尾部， 同时，从sr中删除彩色条纹编码组合，集合s中剩余元素形成的选择下一个彩色条纹编码组合的待选区，步骤1. 4. 3 如果j+1 = 33，则彩色条纹集合I0的彩色条纹序列为投影光栅的编码，并进入步骤1. 5 ；否则，令j = j+1，返回步骤1. 4. 2，步骤1. 5 对设计完成的彩色编码条纹序列中RGB分量依据公式(1)做正弦调制最终得到用于投影的彩色光栅，
权利要求
1. 一种基于彩色光栅投影的快速三维测量方法，其特征在于，具体操作步骤如下 步骤1 设计彩色光栅步骤11 列出用于编码的六种纯色采用对M位真彩图像三个分量R、G、B分别赋值实现，M位真彩图像的R、G、B分量分别是8位，有256个灰阶，把每个分量只取0和255两种值，并将灰阶为255时记为1，灰阶为0时记为0，这样R、G、B分量的取值分别为0或1，们选取红(100)、品红(101)、蓝(001)、青(011)、绿(010)、黄(110)六色进行编码，步骤1. 2 选择彩色条纹的数目为33条，并为彩色条纹编号蓝(001)、青(011)、绿 (010)、黄(110)、红(100)、品红(101)条纹编号依次记为1、2、3、4、5、6，步骤1. 3 确定编码周期，并列出长度为此编码周期的所有可能的彩色条纹编码组合 以4个彩色条纹为编码周期，根据步骤1. 2中设定的编号，满足格雷编码且编码周期为4个彩色条纹的所有可能的彩色条纹编码组合的集合s为 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，}步骤1. 4 确定各个编码周期的彩色条纹编码步骤1. 4. 1 建立彩色条纹集合I0且彩色条纹集合I0为空，将步骤1. 3中列出的所有可能的彩色条纹编码组合的集合s作为待选区，从集合s中任意选择一个彩色条纹编码组合设为Sp j = 0，并将彩色条纹编码组合~中的四个元素依序列入彩色条纹集合I。，在彩色条纹集合I0中形成彩色条纹序列，并将彩色条纹编码组合~从集合s中删除，集合s中剩余元素形成选择下一个彩色条纹编码组合的待选区sr，步骤1. 4. 2 取彩色条纹编码组合~的后3个元素作为当前所选彩色条纹编码组合J^1 的前3个元素并以此作为候选条件，从待选区sr中寻找满足候选条件的彩色条纹编码组合 ，将彩色条纹编码组合^V1的最后一个元素补入I。并列于彩色条纹序列的尾部，同时，从 sr中删除彩色条纹编码组合，集合s中剩余元素形成的选择下一个彩色条纹编码组合的待选区，步骤1. 4. 3 如果j+1 = 33，则彩色条纹集合I0的彩色条纹序列为投影光栅的编码，并进入步骤1. 5 ；否则，令j = j+1，返回步骤1. 4. 2，步骤1. 5 对设计完成的彩色编码条纹序列中RGB分量依据公式(1)做正弦调制最终得到用于投影的彩色光栅，
2.根据权利要求1所述的基于彩色光栅投影的快速三维测量方法，其特征在于，对补偿后的彩色光栅变形图的处理采用如下方法步骤4. 1 将补偿后的彩色光栅变形图转换到HSV空间，取V分量作为补偿后的彩色光栅变形图的光强分布图，该光强分布图表达式如下 式中，x、y分别表示横、纵方向像素坐标，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为调制光强，I(x， y)为彩色光栅变形图中的光强分布图在(x，y)位置处的光强，P为彩色投影光栅中的单个彩色条纹宽度，j为虚数单位，^U)为待测彩色光栅变形图的包裹相位值， 由欧拉公式原理，式(5)可改写为如下形式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分别表示横、纵方向像素坐标，c*(x，y)为c(x，y)的共轭复数，j为虚数单位，fQ为投影光栅在参考面上未变形条纹的空间频率，对式(6)中所示的一维光强信号I (x，y)沿着正χ方向进行一维傅里叶变换，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)分别表示 I (x，y), c(x, y), c*(x, y) 对应频域中的傅里叶频谱，然后滤波提取含有相位信息的基频分量C(f-f^，y)，通过基频分量做逆傅里叶变换得到c (x, y) exp (2 π jf0x)，得到彩色光栅变形图的包裹相位图，包裹相位值为这里解得的树U)变化范围为0 2 π，即每经历一个2 π的变化发生一次周期跳变， 最终得到包裹相位信息，步骤4. 2 对补偿后的彩色光栅变形图进行彩色分割将补偿后的彩色光栅变形图转换至HSV空间，将S分量与V分量均赋值为255以消除亮度和饱和度的影响，然后将处理后的彩色光栅变形图转换回RGB空间，对RGB三分量分别用大津法进行阈值分割， 步骤4. 3 解码对步骤4. 2得到的彩色分割结果进行解码，得出彩色分割结果中的彩色条纹与用于投影的彩色光栅中各条纹的对应关系，即求得它们对应的位置编码，这个位置编码也就是相位周期性展开中用到的相位周期信息，解码的具体步骤如下步骤4. 3. 1 数据预处理，首先建立一个标志数组，其元素数与图像中像素数相等，即数组的每个元素都与图像中相应位置的像素对应，将图像中出现的六种颜色蓝色、青色、绿色、黄色、红色、品红编号为1、2、3、4、5、6，标志数组中存储的就是彩色分割结果对应位置像素的颜色编号，这样可以避免在后续处理中多次访问像素的三个颜色分量而影响处理速度，步骤4. 3. 2 对标志数组进行遍历，把其中的分量分组为背景部分和有用条纹信息部分，以减少需要处理的数据量，步骤4. 3. 3 逐行遍历得出改善后的彩色分割结果中各行各像素对应彩色条纹的位置编码①从左到右遍历第i行像素，标志出各条纹的边界，并根据步骤4.1中得到的包裹相位图中边界跳变信息对彩色分割结果中的条纹边界加以修正，②判断出彩色分割结果中各条纹的位置编码。从左到右依次取出各个编码周期的条纹，即每次取出相邻的四个条纹，将其排列顺序与用于投影的彩色光栅中的条纹序列进行对比，由于相邻四个条纹的组合都是唯一的，当找到匹配的组合时，就能确定取出的四个条纹的位置编码，同理确定该行所有条纹的位置编码，③用各像素所属条纹的位置编码取代标志数组中的颜色编号，只要该位置像素不属于背景部分，则把对应位置的元素值换成该像素所属条纹的位置编号，即对应于彩色光栅变形图中携带的相位周期信息，步骤4. 4 包裹相位的展开将步骤4. 3中得到的对应于彩色光栅变形图中携带的相位周期信息结合步骤4. 1中得到的包裹相位信息，依据式(10)对相位展开得到最终相位 Φ (χ， y)，φ(χ,γ) = /^φ + 2π(η-\)(10)式中，η为条纹位置编号，即相位的周期信息，Δ^为包裹相位。
全文摘要
一种三维扫描系统中基于彩色结构光的高适应性三维测量方法，选用6种纯色根据格雷编码原理进行编码，并对其中R、G、B三分量同时进行正弦调制得到用于投影的彩色光栅，并根据该彩色光栅设计其辅助光栅。将设计好的彩色光栅与辅助光栅投向被测物体，对采集到的两幅光栅变形图进行叠加运算以得到各像素的反射率，根据各像素的反射率对光栅变形图进行补偿。将补偿后的光栅变形图进行彩色图像分割，对分割后的图像进行解码之后即得到对应的相位周期信息。另一方面，将补偿后的光栅变形图灰度化后采用傅立叶变换法得到各像素的包裹相位值。结合解码得到的各像素的相位周期信息，实现相位展开。最后根据相位和物体高度信息的对应关系实现三维重构。
文档编号G01B11/25GK102519394SQ20111036686
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者胡路遥, 达飞鹏, 陆海洲 申请人:东南大学