基于结构光灰度向量的三维数字成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于结构光灰度向量的三维数字成像方法，包括：对结构光进行编码，生成结构光灰度向量的编码图案序列；将编码图案序列按顺序投射到物体表面，并采用双目摄像机采集受物体表面调制后的编码图案序列，然后将调制后的编码图案序列存储到计算机中；对调制后的编码图案序列进行基于乘加运算的灰度向量解码，并结合双目摄像机的极线几何约束找出双目摄像机的所有对应点对；根据三维数字成像系统的标定参数和找到的对应点对进行计算，得到三维点云数据。本发明具有分辨率高、计算量小、测量速度快的优点，可广泛应用于三维成像【技术领域】。
【专利说明】基于结构光灰度向量的三维数字成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维成像【技术领域】，尤其是一种基于结构光灰度向量的三维数字成像方法。
【背景技术】
[0002]结构光测量是一种非接触、主动式的光学测量方法。其基本原理是将经过编码的结构光通过投影仪投射到物体表面，经过物体表面的深度信息调制之后发生畸变，再由图像传感器采集变形图案，通过解码确定唯一的编码值。若确定了左相机和右相机这两个双目摄像机之间的位置关系，则可以利用三角法原理解得物体的表面三维深度信息。结构光三维视觉技术具有非接触、精度高、视场大、实时性好和抗干扰能力强等优点，被广泛地应用于工业产品快速设计与检测、逆向工程、人体模型制造、文物轮廓重建和三维打印等领域。
[0003]现有的结构光三维测量技术主要分为两类:空域编码和时域编码。空域编码往往只需要投影一幅图案，图案中每一点的码字即可根据它周围临近点的信息(如像素、颜色和几何信息等)得出。但是在解码阶段，空间临近点的信息丢失会导致误差的产生。与时域编码相比，空域编码适用于动态场景的三维测量，但测量分辨率低，精度较差。时域编码是指按照时间顺序对测量物体投影多幅图案，利用多幅图案信息进行编解码。最常用的时域编码方法是条纹投影相移测量方法，该方法能够获得较高的空间分辨率和测量精度。但是其在求解相位过程中需要求解反正切函数和以及进行相位展开，计算量大且测量速度慢。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的目的是:提供一种精度高、计算量小且测量速度快的，基于结构光灰度向量的三维数字成像方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]基于结构光灰度向量的三维数字成像方法，包括:
[0007]A、对结构光进行编码，生成结构光灰度向量的编码图案序列，所述编码图案由构成编码区的周期性灰度渐变条纹和构成标识区的二值黑白条纹组成；
[0008]B、将编码图案序列按顺序投射到物体表面，并采用双目摄像机采集受物体表面调制后的编码图案序列，然后将调制后的编码图案序列存储到计算机中；
[0009]C、对调制后的编码图案序列进行基于乘加运算的灰度向量解码，并结合双目摄像机的极线几何约束找出双目摄像机的所有对应点对；
[0010]D、根据三维数字成像系统的标定参数和找到的对应点对进行计算，得到三维点云数据。
[0011]进一步，所述步骤A,其具体为:
[0012]将每幅编码图案的区域划分为编码区和标识区，所述编码区由周期性灰度渐变编码条纹构成，所述标识区由二值黑白条纹构成，其中，每幅编码图案中编码区的周期性灰度渐变编码条纹与编码图案序列中其他图案标识区的二值黑白条纹相对应，并由这些二值黑白条纹按编码图案序列组成唯一编码，以区分不同的周期性灰度渐变编码条纹；在每一周期性灰度渐变编码条纹区域内的像素，由其灰度值进行编码，以区分每一像素。
[0013]进一步，所述步骤C，其具体包括:
[0014]Cl、对调制后的编码图案序列进行基于乘加运算的灰度向量解码，然后通过条纹区域划分和特征编码灰度向量获取，计算出双目摄像机中每个像素的灰度特征编码值；
[0015]C2、根据得到的灰度特征编码值和双目摄像机的极线几何约束找出双目摄像机的所有对应点对。
[0016]进一步，所述步骤Cl，其具体包括:
[0017]CU、提取调制后的编码图案序列中每幅图案的标识区边界，并进行叠加获得编码图案序列中所有周期性渐变编码条纹的边界，然后根据获得的边界划分周期渐变编码条纹区域；
[0018]C12、根据划分的周期渐变编码条纹区域，确定其在图案序列中所对应的二值黑白标识条纹的序列，得到其唯一的标识向量；
[0019]C13、对每个像素根据其在图案序列中所对应的标识区灰度值和编码区灰度值进行归一化处理，获得该像素点的编码值codevalue,所述像素点的编码值codevalue的计算公式为:
[0020]
【权利要求】
1.基于结构光灰度向量的三维数字成像方法，其特征在于:包括: A、对结构光进行编码，生成结构光灰度向量的编码图案序列，所述编码图案由构成编码区的周期性灰度渐变条纹和构成标识区的二值黑白条纹组成； B、将编码图案序列按顺序投射到物体表面，并采用双目摄像机采集受物体表面调制后的编码图案序列，然后将调制后的编码图案序列存储到计算机中； C、对调制后的编码图案序列进行基于乘加运算的灰度向量解码，并结合双目摄像机的极线几何约束找出双目摄像机的所有对应点对； D、根据三维数字成像系统的标定参数和找到的对应点对进行计算，得到三维点云数据。
2.根据权利要求1所述的基于结构光灰度向量的三维数字成像方法，其特征在于:所述步骤A，其具体为: 将每幅编码图案的区域划分为编码区和标识区，所述编码区由周期性灰度渐变编码条纹构成，所述标识区由二值黑白条纹构成，其中，每幅编码图案中编码区的周期性灰度渐变编码条纹与编码图案序列中其他图案标识区的二值黑白条纹相对应，并由这些二值黑白条纹按编码图案序列组成唯一编码，以区分不同的周期性灰度渐变编码条纹；在每一周期性灰度渐变编码条纹区域内的像素，由其灰度值进行编码，以区分每一像素。
3.根据权利要求2所述的基于结构光灰度向量的三维数字成像方法，其特征在于:所述步骤C，其具体包括: Cl、对调制后的编码图案序列进行基于乘加运算的灰度向量解码，然后通过条纹区域划分和特征编码灰度向量获取，计算出双目摄像机中每个像素的灰度特征编码值； C2、根据得到的灰度特征编码值和双目摄像机的极线几何约束找出双目摄像机的所有对应点对。
4.根据权利要求3所述的基于结构光灰度向量的三维数字成像方法，其特征在于:所述步骤Cl，其具体包括: CU、提取调制后的编码图案序列中每幅图案的标识区边界，并进行叠加获得编码图案序列中所有周期性渐变编码条纹的边界，然后根据获得的边界划分周期渐变编码条纹区域； C12、根据划分的周期渐变编码条纹区域，确定其在图案序列中所对应的二值黑白标识条纹的序列，得到其唯一的标识向量； C13、对每个像素根据其在图案序列中所对应的标识区灰度值和编码区灰度值进行归一化处理，获得该像素点的编码值所述像素点的编码值codevalue的计算公式为: G —G Co devalue - —^~—,Cjw — Cj^ 其中，标识区分为黑条纹标识区和白条纹标识区，&为像素在白条纹标识区中的灰度值，Gb为像素在黑条纹标识区中的灰度值，G为归一化处理前像素在编码区中的灰度值； C14、根据像素点的编码值codevalue及其变化趋势，并结合步骤C12得到的该像素所在周期渐变编码条纹区域的标识向量，获得该像素点的特征编码灰度向量； C15、对特征编码灰度向量进行降维处理，得到用于进行后续对应点匹配处理的灰度特征编码值。
5.根据权利要求3所述的基于结构光灰度向量的三维数字成像方法，其特征在于:所述步骤C2，其具体为: 根据得到的灰度特征编码值，利用左右双目摄像机的极线几何约束，对左摄像机上的任一点在极线上寻找与该点灰度特征编码值相同或最接近的点作为对应点，从而找出左右双目摄像机的全部对应点对。
【文档编号】G01B11/25GK104197861SQ201410422772
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】田劲东, 林贵文, 李 东 申请人:深圳大学