一种针对颜色结构光扫描系统的自适应动态规划匹配方法
【专利摘要】本发明是一种针对颜色编码结构光扫描系统的自适应动态规划匹配方法。所属【技术领域】为结构光三维扫描技术。本发明解决的技术问题是：解决投射编码条纹和相机获取条纹匹配问题。本发明提出一种利用条纹邻域信息以进行自适应匹配的方法，提高匹配的准确度和精确度。从而获取更好的三维重建效果。解决该问题的技术方案要点是：选取特殊的de?bruijn序列条纹结构光作为投射图，即相邻条纹颜色至少有两个颜色通道不同。利用局部颜色差异信息和条纹间距离大小来调整其权重，以设计目标函数。本发明的主要用途是提高编码条纹和获取条纹的匹配率，为后续的计算精准的三维坐标和更光滑的表面重建做准备。该系统可以用于各种颜色的物体以及在非暗室环境下扫描。
【专利说明】 一种针对颜色结构光扫描系统的自适应动态规划匹配方法
一、【技术领域】:
[0001]本发明涉及结构光三维扫描技术，尤其涉及针对颜色编码结构光扫描系统的自适应动态规划匹配方法。
二、【背景技术】:
[0002]三维重建是计算机视觉研究领域的热点，该技术被广泛地应用于逆向工程、人机交互、游戏娱乐等众多领域，具有很强的实用性。如何高分辨率、高实时性以及在自然环境下获取被测物体的3D数据是该领域的研究热点。该技术可应用于逆向工程、人机交互、游戏娱乐等众多领域，具有很强的实用性。如何更准确、实时地获取物体的3D数据是该领域人士研究的目标。
[0003]3D测量方法分为接触式和非接触式两类，典型代表是三维坐标测量机，这种测量方式以精密机械为基础，测量精度可高达微米级。但该方法由于不能测量柔软物体、成本高、重建速度慢、效率低，所以接触式的方法不能满足精确、快捷的测量要求。比较而言，非接触式测量则解决上述各种缺陷，以测量速度快、保持测量连续性，易数字化等优点成为一个重要的发展方向。
[0004]非接触式测量方法又分为被动式和主动式两种。其中，被动式三维测量，不需要额外的光源[2]，照明由被测物体周围的自然光照条件提供。被动式技术测量精度比较低，计算量较大，无法达到高精度的标准；而主动式的方法是指向被测物体投射已经设定好的图案，该图案因为被测物体形状影响而发生形变，通过匹配图案发生的形变来获得物体的三维信息；其特点是测量精度高，结构简单，易于实现。
[0005]非接触式测量方法研究集中在介质的选择和测量方法上。传递介质主要有激光、声波、电磁场、红外光等，其中光学测量方法由于工作距离大、测量精度高、可测量非金属物体等优点得到较快发展。在众多测量方法中，编码结构光以较高的测量精度、易于实现的突出优势成为研究的热点。结构光扫描通过投影设备、物体以及摄像头的三角关系计算出物体的深度。
[0006]结构光扫描技术主要分为两大类。第一类是时间编码技术，通过投射一系列的结构光，从而获得高精度的三维点云数据，但这类方法只能扫描静态场景。另一类是空间编码技术，这类技术的优点是能够通过一次结构光投射获取三维点云数据，其中最常用的是DeBruijn(DB)序列。DB序列是一组伪随机序列，具有巨大码字数量和高线性复杂度，是具有最长周期的移位寄存器序列。DB序列由两个要素(n，m)来标定，它通过顺序排列的η种特征值的m种次序编码，其中每一种子串长度为m的序列仅使用一次。重建过程的最后通过每次匹配三个条纹的颜色，然后在de Bruijn序列中找到唯一的位置。从而可以获取每个条纹与拍摄相机的夹角信息，从而计算出物体三维信息，这种序列有非常好的自动相关功能。如物体表面反射率、环境光等，对结构光编码的解码有很大的干扰。为了解决这一问题，文献《Fechteler, P., Eisert, P.:Adaptive color classification for structured lightsystems.Computer Vision, IET3 (2009) 49-59》中提出 了用 K-Means 均值聚类的方法自适应地将颜色分类，从而可以在自然环境下并且无事先颜色校正地情况下较为准确地判定颜色的种类。在最后匹配过程中，采用概率模型与动态规划相结合的方式，准确率不甚理想，影响了二维点Z?的精度。
[0007]针对上述问题，本发明提出了一种针对提高条纹匹配准确率的动态规划算法。这种方法通过利用固定邻域窗中条纹的颜色和距离信息，并通过调整邻域条纹信息的权重来设计目标函数，取得更好的准确率，高达98%以上，从而可以获得良好的重建效果。
三、
【发明内容】
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[0008]本发明解决的技术问题是:针对颜色编码结构光扫描系统在匹配投射条纹和拍摄条纹的准确率不高的情况。本发明提出了一种利用条纹邻域信息来设计动态规划的目标函数，从而获取良好的三维重建效果。
[0009]在颜色编码结构光扫描系统中，如图1所示，102投影仪投射103结构光，结构光采用6种颜色，每种子序列长度为4 ;每种颜色都是饱和色，即红、绿、蓝、蓝绿、洋红、黄。给这6种颜色标上号码，并添加一个限制条件，即相邻两个颜色的RGB通道至少有两个通道不一样。用上面的图表表示6种颜色可以相邻原则如图表2。这样序列条纹的数目为162条，每个编码条纹间用黑色间隔，就形成了投射的103结构光。结构光序列图如图3所示。当光线投射到104物体表面上，经过物体表面反射，由101摄像头捕捉得到彩色图片。经过均值聚类算法将条纹颜色进行判断，将条纹中心线上的颜色信息在RGB空间的分布，将红、绿、蓝、蓝绿、洋红、黄六种颜色在三维空间中表示成一簇直线，直线方程为:oe+xr。，其中c e {r，g，b，c, m, g}。计算每个点到六条直线的距离，找到距离最小的，即为某个颜色的类别。并且以这个最小距离与到六条直线的距离之和的关系式作为后续动态规划的参数之一。
[0010]公式如下:
【权利要求】
1.一种针对颜色结构光扫描系统的自适应动态规划匹配方法，其特征包含以下几个步骤: A.每个条纹参数获取:在无监督的K-Means均值聚类算法之后，由每个条纹到聚类中心线距离比例作为每个条纹的参数。这样每个条纹的颜色判定成某种颜色的概率值可以作为下一步动态规划的参数值。 B.计算邻域条纹的颜色差异:利用上面得到每个条纹的参数信息，由邻域条纹对中心条纹的颜色差异作为其能影响中心条纹的权重依据。 C.计算邻域条纹的距离差异:利用第一步中得到的参数信息，由邻域条纹对中心条纹的距离差异作为其能影响中心条纹的另一个权重依据。 D.设计目标函数:利用上述两步计算出的差异作为该相邻条纹可以对中心条纹影响的权重信息，设计目标函数。 E.建立M矩阵:本发明利用M矩阵来记录动态规划过程中的目标函数可以获取的最优值，用简单的数值方法，来记录可能发生的三种情况。
【文档编号】G01B11/25GK103514627SQ201210206617
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月21日 优先权日:2012年6月21日
【发明者】都思丹, 于耀, 邹润, 周余, 王自强, 袁杰, 李杨, 赵康链, 孔令红, 赵东威 申请人:南京大学