一种面向深度测量的沙漏码结构光的编解码方法
【专利摘要】一种面向深度测量的沙漏码结构光的编解码方法，编码方法为：采用沙漏状图案作为编码结构光的基元图案；为每种图形基元配置码字；采用伪随机阵列编码方法，利用不同的图形基元进行组合排列形成图形基元阵列，对应得到编码码字阵列；为图形基元阵列中的每个图形基元确定编码码值；解码方法为：对捕捉的图像进行去噪处理；对图像中的基元图案进行图形边缘提取；还原图像中编码结构光的各个图形基元，相应得到图形基元阵列；还原出编码码字阵列和每个图形基元的编码码值，本发明的基元图案中心对称，具有明显的特征点，易于精确提取，抗干扰性强，解码简单，且投射图案由黑白两色构成，消除了其他色光的影响，易于采用图像处理算法快速提取交点坐标。
【专利说明】一种面向深度测量的沙漏码结构光的编解码方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测量【技术领域】，具体涉及一种面向深度测量的沙漏码结构光的编解码 方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着智能机器人等领域的快速发展，深度测量已经成为国内外研宄热点。 在三维空间深度信息的获取中，结构光是一种最为有效的方法。结构光是一种非接触式主 动式光学测量技术，其基本原理是由结构光投射器将带模式的结构光投射到物体的表面并 通过摄像机捕获图案，通过对投射图案信息的识别，实现特征点的快速匹配。由于物体表面 的梯度变化，投影模式发生畸变，图像传感器（如电荷耦合器件，CCD)拍得该图像后，通过 解码获得物体表面的三维信息。研宄早期，研宄者提出的主动式视觉一般基于点、线结构光 扫描法。其优点是识别简单，但需要扫描整个场景，实时性不高，不适合大范围的深度测量。 随着研宄的深入，更多基于编码结构光的主动式视觉技术被提出，编码策略的差异为依据 将目前的结构光编码技术主要分为时间多路编码、直接编码和空间邻域编码策略三类。
[0003] 时间多路编码策略是将一组编码图案按时序先后，持续投射到被测物体的表面以 产生码字。根据投射模式的像素值序列组成设定像素的码字。此种编码策略在三维扫描工 作中具有较高的精度，然而不适用于动态的物体测量是其最大的局限。
[0004] 直接编码策略是每个点根据自身的值进行编码，为此需要周期性的设定色彩值。 理论上此策略具有高分辨率，但是，由于编码颜色之间比较接近，因此对于噪声的灵敏度较 高，受被测表面颜色干扰较大。然而，被测表面的颜色除了投射模式的颜色外，还有被测表 面自身具有的颜色，因此，为了减少物体自身颜色的影响，通常需要获得若干参考图像，所 以直接编码策略也不适用于动态物体测量。
[0005] 空间领域编码策略是将一幅或者几幅图案中的所有编码信息压缩至一幅图案，图 案中任意一个特征的码值都由所在位置的基元图案所代表的码字和其邻域内的其他码字 共同组成，适用于动态物体检测。同时，该策略考虑了每个码字在编码图案中的唯一性。
【发明内容】
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[0006] 针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出一种面向深度测量的沙漏码结构光 的编解码方法。
[0007] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0008] -种面向深度测量的沙漏码结构光的编码方法，包括如下内容：
[0009] -种面向深度测量的沙漏码结构光的编码方法，内容如下：建立基元图案的约束 条件；根据基元图案的约束条件，采用沙漏状图案作为编码结构光的基元图案；将沙漏状 基元图案中两个对顶三角形的顶点交点作为基元图案的特征点；选择多个具有不同方向 角的沙漏状基元图案作为编码结构光的图形基元；为每种图形基元配置码字；根据结构光 投射范围需求，采用伪随机阵列编码方法，利用不同的图形基元进行组合排列，形成相应规 模的图形基元阵列，对应得到编码码字阵列；基于邻域的空间编码策略和编码码字阵列，为 图形基元阵列中的每个图形基元确定编码码值；由图形基元阵列构成的结构光将被投射到 待测物体上进行深度测量；
[0010] 所述基元图案的约束条件为：
[0011] (1)获取空间物体深度信息时只投射一幅编码结构光图案；
[0012] (2)投射单色光，即所投射的编码结构光图案由黑白两色构成：
[0013] (3) -幅编码结构光图案中单位位置上基元图案的唯一性；
[0014] (4)基元图案中心对称，具有明显的特征点；
[0015] 所述方向角为基元图案的中线沿着基轴正向顺时针旋转与基轴正向所成的夹角； 所述基元图案的中线为穿过沙漏状基元图案特征点平分两个对顶三角形顶角的直线；所述 基轴为图形基元阵列的纵向轴，即图形基元阵列中每列图形基元的特征点连线。
[0016] 根据所述的面向深度测量的沙漏码结构光的编码方法，优选4个方向角分别为 0°、45°、90°和135°的沙漏状基元图案作为编码结构光的4个图形基元。
[0017] -种面向深度测量的沙漏码结构光的解码方法，针对所述的面向深度测量的沙漏 码结构光的编码方法，包括如下步骤：
[0018] 步骤1 :利用小波去噪算法，对捕捉到的目标区域的图像进行去噪处理，实现图像 增强；
[0019] 步骤2 :对去噪后图像中的各个基元图案进行图形边缘提取操作，提取出各个基 元图案的边缘特征，得到各个基元图案的轮廓；
[0020] 步骤3 :对步骤2已得到轮廓的基元图案的特征点进行提取；
[0021] 步骤3. 1 :求取基元图案的质心坐标，进行基元图案特征点粗提取；
[0022] 步骤3. 2 :基于灰度梯度的基元图案特征点的精提取；
[0023] 步骤4 :根据步骤2得到的各基元图案的轮廓及步骤3提取的各基元图案的特征 点，确定出各基元图案的中线；
[0024] 步骤5 :根据基元图案的中线，确定基元图案的方向角，即还原得到图像中编码结 构光的各个图形基元，相应得到图形基元阵列；
[0025] 步骤6 :根据步骤5得到的图形基元阵列，还原出编码码字阵列和每个图形基元的 编码码值。
[0026] 有益效果：本发明的面向深度测量的沙漏码结构光的编解码方法与现有技术相比 具有以下优势：
[0027] (1)基元图案中心对称，具有明显的特征点，易于精确提取，抗干扰性强，解码简 单；
[0028] (2)投射图案是由黑白两色构成，消除了其他色光的影响，对比显著；
[0029] (3)易于采用图像处理算法快速提取交点坐标，从而提高深度信息提取的精度和 测量的
[0030] 效率；
[0031] (4)在一幅编码结构光图案中，保证单位区间基元图案的唯一性。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1为本发明一种实施方式的4图形基元示意图；
[0033] 图2为本发明一种实施方式的图形基元阵列示意图；
[0034] 图3为本发明一种实施方式的一幅编码结构光示意图；
[0035] 图4(a)为本发明一种实施方式中进行某场景深度测量时由摄像机拍摄的全景沙 漏码结构光图像，（b)为（a)的某一个方向上的沙漏码结构光图像；
[0036] 图5(a)，（b)，（c)，（d)，（e)为本发明一种实施方式的图形基元阵列构建过程示意 图；
[0037] 图6为本发明一种实施方式的面向深度测量的沙漏码结构光的解码方法流程图；
[0038] 图7为本发明一种实施方式的从捕捉的图像中提取图形边缘后的图形基元阵列 示意图；
[0039] 图8为本发明一种实施方式的亚像素级别的图形基元特征点定位示意图；
[0040] 图9为本发明一种实施方式的某图形基元及其八邻域图形基元构成的图形基元 阵列示意图；
[0041] 图10为与图9对应的八邻域码字阵列。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图对本发明的具体实施作详细说明。
[0043] 本实施方式的面向深度测量的沙漏码结构光的编码方法，首先基于基元图案的约 束条件，将沙漏状图案作为编码结构光的基元图案；本实施方式的基元图案的约束条件为： (1)获取空间物体深度信息时只投射一幅编码结构光图案；（2)投射单色光，即投影图案由 黑白两色构成：（3) -幅编码结构光图案中单位区间基元图案的唯一性；（4)基元图案中心 对称，具有明显的特征点。
[0044] 将沙漏状图案中两个对顶三角形的顶点交点作为基元图案的特征点；将具有不同 方向角的沙漏状基元图案定义为不同的图形基元，本实施方式中定义了 4个图形基元，如 图1所示，这4个图形基元的方向角分别为0°、45°、90°、135°，所述方向角为图形基 元的中线沿着基轴正向顺时针旋转与基轴正向所成的夹角；所述图形基元的中线为穿过特 征点并且平分沙漏状基元图案的两个对顶三角形顶角的直线；所述基轴为图形基元阵列的 纵向轴，即编码结构光图案中的每列图形基元的特征点连线都可以作为基轴并且相互平 行；根据结构光投射范围需求，采用伪随机序列编码方法，将定义的一定数量的4个图形基 元进行组合排列，形成相应规模的图形基元阵列，如图2所示，由图形基元阵列构成的结构 光，如图3所示，将被投射到待测物体上进行深度测量，如图4 (a)所示的结构光照射到目标 物上后由摄像机捕捉的某被测场景的全向沙漏码结构光图像，图4(b)为图4(a)中某一个 方向上的目标物沙漏码结构光图像；设定图形基元的元素值为{〇, 1，2, 3}，即有0、1、2、3共 4个不同编码元素，将该4个不同编码元素值分别与所述4个不同的图形基元一一对应匹 配，得到图形基元的码字，如图1所示，方向角为0°的图形基元的码字为〇、方向角为45° 的图形基元的码字为1、方向角为90°的图形基元的码字为2、方向角为135°的图形基元 的码字为3,则每个图形基元阵列对应着一个编码码字阵列，如表1为图2所示的图形基元 阵列对应的编码码字阵列。根据编码码字阵列，基于邻域的空间编码策略，可以为相应的图 形基元阵列中每个图形基元确定一个码值；
[0045] 表1图2所示的图形基元阵列的编码码字阵列
[0046]
【权利要求】
1. 一种面向深度测量的沙漏码结构光的编码方法，其特征在于： 建立基元图案的约束条件；采用沙漏状图案作为编码结构光的基元图案；将沙漏状基 元图案中两个对顶三角形的顶点交点作为基元图案的特征点；选择多个具有不同方向角的 沙漏状基元图案作为编码结构光的图形基元；为每种图形基元配置码字；根据结构光投射 范围需求，采用伪随机阵列编码方法，利用不同的图形基元进行组合排列，形成相应规模的 图形基元阵列，对应得到编码码字阵列；基于邻域的空间编码策略和编码码字阵列，为图形 基元阵列中的每个图形基元确定编码码值；由图形基元阵列构成的结构光将被投射到待测 物体上进行深度测量； 所述基元图案的约束条件为： (1) 获取空间物体深度信息时只投射一幅编码结构光图案； (2) 投射单色光，即所投射的编码结构光图案由黑白两色构成： (3) -幅编码结构光图案中单位位置上基元图案的唯一性； (4) 基元图案中心对称，具有明显的特征点； 所述方向角为基元图案的中线沿着基轴正向顺时针旋转与基轴正向所成的夹角；所述 基元图案的中线为穿过沙漏状基元图案特征点平分两个对顶三角形顶角的直线；所述基轴 为图形基元阵列的纵向轴，即图形基元阵列中每列图形基元的特征点连线。
2. 根据权利要求1所述的面向深度测量的沙漏码结构光的编码方法，其特征在于：优 选4个方向角分别为0°、45°、90°和135°的沙漏状基元图案作为编码结构光的4个图 形基元。
3. -种面向深度测量的沙漏码结构光的解码方法，针对权利要求1所述的面向深度测 量的沙漏码结构光的编码方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤1 :利用小波去噪算法，对捕捉到的目标区域的图像进行去噪处理； 步骤2 :对去噪后图像中的各个基元图案进行图形边缘提取操作，提取出各个基元图 案的边缘特征，得到各个基元图案的轮廓； 步骤3 :对步骤2已得到轮廓的基元图案的特征点进行提取； 步骤3. 1 :求取基元图案的质心坐标，进行基元图案特征点粗提取； 步骤3. 2 :基于灰度梯度的基元图案特征点的精提取； 步骤4 :根据步骤2得到的各基元图案的轮廓及步骤3提取的各基元图案的特征点，确 定出各基元图案的中线； 步骤5 :根据基元图案的中线，确定基元图案的方向角，即还原得到图像中编码结构光 的各个图形基元，相应得到图形基元阵列； 步骤6 :根据步骤5得到的图形基元阵列，还原出编码码字阵列和每个图形基元的编码 码值。
【文档编号】G01B11/25GK104457607SQ201410758004
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】贾同, 王相力, 丁慧东, 周晓阳 申请人:东北大学