一种高帧率运动物体三维测量方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及图像处理、计算机图形学、结构光三维扫描等领域，特别涉及一种基于 结构光投影的、编解码算法简单、高测量效率、高测量精度的高帧率运动物体三维测量方 法。
【背景技术】：
[0002] 近年来，三维测量技术在人体建模、模式识别、工业检测、逆向工程以及目标识别 等领域得到了广泛应用，显示出了强大的商业前景。随着计算机技术以及光学半导体技术 的发展，基于计算机视觉的结构光三维形态测量技术以其测量过程不直接接触被测物体、 测量效率高等优势取得了巨大的发展。结构光编码方式总体上可分为时域结构光编码方式 和空间结构光编码方式，时域结构光编码方式往往向被测物体投影多幅编码图像获取物体 的三维形态信息，测量精度高，但是它往往只适用于静态物体三维测量。而空间结构光编码 方式只需要向被测物体投影单个光栅图像，可以适用于运动物体三维测量，但是其编解码 算法复杂，测量效率、精度较低。以上问题严重地限制了结构光三维测量技术在诸如快速自 动化生产线产品检测中的应用。
【发明内容】
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[0003] 本发明要解决的技术问题是，提供一种基于结构光投影的、编解码算法简单、高测 量效率、高测量精度的高帧率运动物体三维测量方法。
[0004] 本发明的技术解决方案是，提供一种包括以下顺序步骤的高帧率运动物体三维测 量方法：
[0005] 步骤一、同步获取高帧率投影和图像：采用基于DMD技术的快速、可编程图像模式 技术，将高帧率视觉与高帧率投影引入到运动物体三维测量中，可以达到上千帧的编码结 构光图像投影与获取；
[0006] 步骤二、运用连续编解码算法对格雷码进行编解码：采用一种类流水线处理的编 解码方法，在连续投影与图像获取过程中，每获取一帧投影图像，即可对被测物体进行编解 码；
[0007] 步骤三、进行基于格雷码的运动补偿算法：通过已知物体运动速度或基于物体运 动估计获取物体在被测水平面内的运动速度信息，通过偏差估计补偿，得到更加精确的三 维测量结果，实现扫描效率与扫描精度的平衡。
[0008] 本发明所述的一种高帧率运动物体三维测量方法，其中，步骤一中所述的同步获 取高帧率投影和图像是指使用高速DLP投影仪以高帧率投影编码图像，与之保持同步的高 速工业相机通过信号同步模块的信号转换而同时获取投影图像，缩小投影与图像获取时间 间隔。
[0009] 本发明所述的一种高帧率运动物体三维测量方法，其中，步骤二中所述的运用连 续编解码算法对格雷码进行编解码是指以六幅编码图像为例，编码顺序是G iGwGit2Git3G i+4Gi+5，下一次再次编码是Gi+6Gi+7G i+8Gi+9Gi+1QGi+11，如果投影帧率为K，那么编码频率为K/6， 只需要相邻六帧图像即可完成一次编解码操作，即连续两次编码为GiGwGit2G it3GwGiP Gi+6Gi+1G i+2Gi+3Gi+4Gi+5，编码频率可达到 Κ。
[0010] 本发明所述的一种高帧率运动物体三维测量方法，其中，步骤三中所述的进行基 于格雷码的运动补偿算法是指首先在时刻t 2设定物体上某一点坐标点（X，y)，接着根据物 体运动速度信息Vx，Vy预测出上一时刻t i位于坐标点（X-V χ · Δ t，y_vy · Δ t)，其中Δ t =
[0011] 此时若物体运动速度Vx、Vy已知，则可以直接利用运动补偿算法获取精确编码值；
[0012] 如运动速度vx、Vy未知，则运动速度V x、Vy估计算法按照以下流程进行：
[0013] ①在k时刻，获取投影仪图像I (X，Y，k)，
[0014] ②经过图像二值化处理，获取二值化图像G (X，Y，k)，
[0015] ③经过编码图像生成步骤，得到编码图像C(X，Y，k)，
[0016] ④经过深度图像求解步骤，得到系统深度图像D (X，Y，k);
[0017] ⑤设定深度阈值θ R，将运动物体提取出来，得到运动区域图像Q(X，Y，k)，其中
【主权项】
1. 一种高帧率运动物体三维测量方法，其特在在于：该测量方法包括以下顺序步骤： 步骤一、同步获取高帧率投影和图像：采用基于DMD技术的快速、可编程图像模式技 术，将高帧率视觉与高帧率投影引入到运动物体三维测量中，可以达到上千帧的编码结构 光图像投影与获取； 步骤二、运用连续编解码算法对格雷码进行编解码：采用一种类流水线处理的编解码 方法，在连续投影与图像获取过程中，每获取一帧投影图像，即可对被测物体进行编解码； 步骤三、进行基于格雷码的运动补偿算法：通过已知物体运动速度或基于物体运动估 计获取物体在被测水平面内的运动速度信息，通过偏差估计补偿，得到更加精确的三维测 量结果，实现扫描效率与扫描精度的平衡。
2. 根据权利要求1所述的一种高帧率运动物体三维测量方法，其特征在于：步骤一中 所述的同步获取高帧率投影和图像是指使用高速DLP投影仪（5)以高帧率投影编码图像， 与之保持同步的高速工业相机（6)通过信号同步模块（7)的信号转换而同时获取投影图 像，缩小投影与图像获取时间间隔。
3. 根据权利要求1所述的一种高帧率运动物体三维测量方法，其特征在于：步骤二中 所述的运用连续编解码算法对格雷码进行编解码是指以六幅编码图像为例，编码顺序是G A +1Gi+2Gi+3Gi+4Gi+5，下一次再次编码是G i+6Gi+7Gi+8Gi+9Gi+1QG i+11，如果投影帧率为K，那么编码频 率为K/6,只需要相邻六帧图像即可完成一次编解码操作，即连续两次编码为G iGwGit2Git3Gi +4Gi+5、Gi+6Gi+1Gi+2G i+3Gi+4Gi+5，编码频率可达到 K。
4. 根据权利要求1所述的一种高帧率运动物体三维测量方法，其特征在于：步骤三 中所述的进行基于格雷码的运动补偿算法是指首先在时刻〖 2设定物体上某一点坐标点 (X，y)，接着根据物体运动速度信息Vx，Vy预测出上一时刻t i位于坐标点（X-V x · Δ t， y-vy · Δ t)，其中 Δ t = 此时若物体运动速度νχ、Vy已知，则可以直接利用运动补偿算法获取精确编码值； 如运动速度vx、Vy未知，则运动速度V x、Vy估计算法按照以下流程进行： ① 在k时刻，获取投影仪图像I (X，Y，k)， ② 经过图像二值化处理，获取二值化图像G (X，Y，k)， ③ 经过编码图像生成步骤，得到编码图像C(X，Y，k)， ④ 经过深度图像求解步骤，得到系统深度图像D (X，Y，k); ⑤ 设定深度阈值θκ，将运动物体提取出来，得到运动区域图像Q(X，Y，k)，其中
其中，DK(X，Y)为没有物体时的参考平面深度图像，运动目标深度图像D' (X，Y，k)= Q(X，Y，k) *D(X，Y，k)，对目标深度图像求取矩特征， M0 (k) = Xx>YQ(X, Y, k) (2) Mx(k) = Σχ，γΧ · Q(X，Y，k) (3) MY(k) = Σχ，γΥ · Q(X，Y，k) (4) 根据公式（1)、（2)、（3)及（4)可得到运动速度'、vy的信息
其中，τ为图像获取时间间隔，JiCfe) =Mx(Ii)ZAie(Ii), = 由此得 到的运动速度信息将用于下一时刻的运动补偿算法。
【专利摘要】本发明公开了一种高帧率运动物体三维测量方法，该方法包括同步获取高帧率投影和图像、运用连续编解码算法对格雷码进行编解码以及进行基于格雷码的运动补偿算法三个步骤，采用基于DMD技术的快速、可编程图像模式技术，将高帧率视觉与高帧率投影引入到运动物体三维测量中，达到上千帧的编码结构光图像投影与获取，在连续投影与图像获取过程中，每获取一帧投影图像即可对被测物体进行编解码，最后通过已知物体运动速度或基于物体运动估计获取物体在被测水平面内的运动速度信息，运行偏差估计补偿算法。本发明克服了标准帧率意义上格雷码编码结构光不能用于运动物体三维测量的限制，具备运动偏差补偿功能，大大提高了连续三维测量的效率和精度。
【IPC分类】G01B11-00
【公开号】CN104833307
【申请号】CN201510175021
【发明人】刘永久, 李季栋, 靳业, 刘小楠, 刘昌进, 吴锐, 李林, 付新立, 李鹏, 李哲, 聂建华, 窦曼莉, 沈炎鑫, 甘彤, 谢文明, 郭玉良
【申请人】中国电子科技集团公司第三十八研究所
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月14日