專利名稱：梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3d測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的時(shí)間編碼方法均以二進(jìn)制碼、格雷碼(Gray)碼為基礎(chǔ)進(jìn)行投射角劃分或在此基礎(chǔ)上結(jié)合四步相移法或垂直分層法等對(duì)投射角進(jìn)一步細(xì)分。 單用格雷碼對(duì)投射角進(jìn)行劃分時(shí)，僅能對(duì)測(cè)量空間進(jìn)行有限劃分，劃分的每個(gè)最細(xì)條紋對(duì)應(yīng)一個(gè)離散值，測(cè)量空間點(diǎn)也僅能獲得有限的空間編碼值。因此，相鄰的被測(cè)點(diǎn)在一個(gè)方向上會(huì)具有相同的編碼值，即最細(xì)條紋內(nèi)所有的測(cè)量點(diǎn)具有同一格雷碼值。對(duì)于高精度的三維測(cè)量，格雷碼測(cè)量精確度不夠高。而采用相移法，可以計(jì)算出每個(gè)被測(cè)空間點(diǎn)的相位來表示空間位置，相位是連續(xù)的，在同一方向上和同一周期內(nèi)每個(gè)空間點(diǎn)的相位值是唯一的。該方法在理論上能夠?qū)臻g進(jìn)行無限細(xì)分，可獲得連續(xù)的測(cè)量空間劃分。具有消除背景項(xiàng)和檢測(cè)器的偶次諧波含常數(shù)項(xiàng)影響的優(yōu)點(diǎn)。在相移的一個(gè)周期里，該值是唯一的，但是在整個(gè)測(cè)量空間內(nèi)該值不唯一，限制了相移方法在三維測(cè)量技術(shù)中的獨(dú)立使用。所以，我們提出格雷碼和相移結(jié)合的編碼方法，兩種方法的結(jié)合即可以保留各自的優(yōu)點(diǎn)，又可以彌補(bǔ)缺點(diǎn)。但是格雷碼與普通相移的結(jié)合，雖然解決了投射角連續(xù)問題，但對(duì)于空間點(diǎn)測(cè)量準(zhǔn)確度、采樣密度卻沒有實(shí)質(zhì)性的提高，而且需要再投射全亮全暗圖案進(jìn)行歸一化，這種方法會(huì)有龐大的反正切的計(jì)算，計(jì)算量非常大，限制了測(cè)量的速度。并且這兩種方法的結(jié)合存在著一個(gè)格雷碼周期的大誤差，無法保證準(zhǔn)確度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法，針對(duì)上述敘述的不足，實(shí)現(xiàn)用最少的編碼步獲得周期，并通過投射梯形相移灰度強(qiáng)度碼對(duì)區(qū)間進(jìn)行精確劃分的結(jié)構(gòu)光3D測(cè)量技術(shù)，本發(fā)明計(jì)算量小，相對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)簡單，并且實(shí)現(xiàn)自我歸一化，減少了投射次數(shù)，而且本發(fā)明保證解碼無一個(gè)格雷碼周期大誤差，提高了準(zhǔn)確度。 上述的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
這個(gè)技術(shù)方案有以下有益效果 1.在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，為提取產(chǎn)品的空間信息而進(jìn)行的三維測(cè)量是人們普遍關(guān)注的問題，這種基于視覺概念的非接觸三維測(cè)量技術(shù)是以三維視覺傳感器所得到的圖形、圖像為基礎(chǔ)來恢復(fù)物體的三維形狀。該技術(shù)可在醫(yī)學(xué)、考古、服裝、制鞋、雕刻、假肢等行業(yè)對(duì)人體形狀和產(chǎn)品模型進(jìn)行測(cè)量，可對(duì)不允許接觸的復(fù)雜工藝品或彈、塑性材料制品的形狀進(jìn)行測(cè)量，特別是在CAD、CAM、逆向工程(RE)、快速原形(RP)等領(lǐng)域都迫切需要應(yīng)用這種測(cè)量技術(shù)，這涉及到汽車制造、通信、家電、玩具、模具、航天和五金等諸多行業(yè)，它在工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)實(shí)生活中有著廣闊的應(yīng)用前景。 光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)屬于非接觸測(cè)量，不需接觸被測(cè)物表面和高采樣密度是其主要優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)中，結(jié)構(gòu)光編碼法以其準(zhǔn)確度高、測(cè)量速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)在三維重構(gòu)、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 目前視覺三維檢測(cè)技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向包括結(jié)構(gòu)光、立體圖像、莫爾法、全息法、激光雷達(dá)等方法，其中結(jié)構(gòu)光法顯示了在分辨率及測(cè)量速度上的優(yōu)勢(shì)。 結(jié)構(gòu)光法是將投射器發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)形成點(diǎn)、線、編碼圖案等形式投向景物，在景物上形成圖案并有攝像機(jī)攝取，而后由圖像根據(jù)三角法和傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、得到景物表面的深度圖像，進(jìn)一步計(jì)算出物面的三維坐標(biāo)值。 相比投射點(diǎn)、線光束的結(jié)構(gòu)光掃描法，結(jié)構(gòu)光編碼法相景物投射編碼圖案，大大提
高了測(cè)量速度并解決了掃描圖案混淆問題，在通過標(biāo)定獲得系統(tǒng)參數(shù)的前提下，確定圖像
采樣點(diǎn)并將其與物面采樣點(diǎn)、編碼圖案中編碼條紋區(qū)域?qū)?yīng)起來，是結(jié)構(gòu)光編碼研究的主
要問題，編碼方法可分為時(shí)間編碼、空間編碼和直接編碼、三者各具優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明采用二值灰度格雷碼和梯形灰度相移強(qiáng)度碼兩種循環(huán)碼的結(jié)合，綜合了兩
種方法的優(yōu)點(diǎn)，并且用強(qiáng)度比代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相位計(jì)算，具有計(jì)算簡單、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。 2.本發(fā)明方法采用梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法，相對(duì)格雷
碼編碼法而言，勿需進(jìn)行全亮和全暗圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)自我歸一化。 3.本發(fā)明方法提出了梯形強(qiáng)度斜坡中心對(duì)應(yīng)格雷碼跳變點(diǎn)編碼方法，保證了解碼時(shí)無一個(gè)周期的大誤差，僅存在一個(gè)像素的誤差，大大提高了準(zhǔn)確度。 4.本發(fā)明方法采用梯形相移強(qiáng)度比，其強(qiáng)度比變化相對(duì)強(qiáng)度比法而言由l升為6，測(cè)量范圍增大。


附圖1是本發(fā)明方法的流程圖。
附圖2是格雷碼投射圖案。
附圖3是強(qiáng)度碼圖案橫截面。 附圖4a是一個(gè)格雷碼周期內(nèi)梯形相移強(qiáng)度碼斜坡中心對(duì)應(yīng)格雷碼跳變點(diǎn)方法圖示。 附圖4b是傳統(tǒng)格雷碼與相移結(jié)合方法對(duì)應(yīng)關(guān)系圖
附圖5是強(qiáng)度比值r在一個(gè)格雷碼最小周期內(nèi)的值。
附圖6a是強(qiáng)度比r。在前6個(gè)格雷碼周期的圖線。
附圖6b是強(qiáng)度比rw在前6個(gè)格雷碼周期內(nèi)的線性圖線。
附圖7是梯形相移強(qiáng)度碼掃描角與其它角關(guān)系示意圖。
本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1 : 結(jié)合附圖1及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。 梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法，包括以下步驟 (1)首先采用向被測(cè)物投射二值灰度格雷碼編碼光，如附圖2，用最少的編碼步獲
得格雷碼周期； (2)然后依次投射三幅梯形相移灰度強(qiáng)度碼光，在其格雷碼基礎(chǔ)上給出更高精度的測(cè)量空間劃分；
4
(3)兩者的結(jié)合獲得連續(xù)單值的測(cè)量空間劃分，從而獲得三維坐標(biāo)值。 第(1)步中，首先我們投射n幅不同的二值灰度格雷碼圖案到物體上，然后采集n
幅灰度圖像到電腦中，對(duì)n幅圖像進(jìn)行二值化，根據(jù)二值化的值按照編碼順序判斷出編碼
周期K。 步驟(2)中我們向被測(cè)物體投射三幅梯形相移灰度強(qiáng)度碼圖案。 圖案的強(qiáng)度寫為(1)式<formula>formula see original document page 5</formula>
(1)式中，T為一個(gè)最小格雷碼周期節(jié)距，K為格雷碼的周期，I'為最小強(qiáng)度，I"
為強(qiáng)度調(diào)制，本例中，K為(o，i5)。起點(diǎn)處i為^"+r，x〉o，i'《y《r +i"，強(qiáng)度圖
案橫截面如圖3所示。 三幅梯形相移強(qiáng)度碼圖案依次相差2T/5， T為一個(gè)格雷碼最小周期，我們規(guī)定格雷碼最小周期為20個(gè)像素，而且相移強(qiáng)度碼的中心對(duì)應(yīng)格雷碼斜坡跳變點(diǎn)，如圖4a所示。
本發(fā)明以投射四幅格雷碼和三幅梯形相移強(qiáng)度循環(huán)碼為例，進(jìn)一步描述該方法。梯形相移強(qiáng)度比為(2)式<formula>formula see original document page 6</formula>式中，Imed(x，y)、min(x，y)、I^(x，y)分別是三幅圖像中點(diǎn)(x，y)的中間值、最小值
和最大值強(qiáng)度。r(x，y)的值為(0，1)，如圖5所示。用公式(3)去掉斜坡后為
7V — 1
r巾(x,力=2 x round(+ (-1)
"力—
(3)
<formula>formula see original document page 6</formula>
r。(x，y)的取值范圍為(0，6)。如圖6a。 為把r。 (x， y)在整個(gè)量程中變成線性連續(xù)的，做如下判斷，見公式(4)
<formula>formula see original document page 6</formula> 如圖6b為強(qiáng)度比rw在整個(gè)量程中的比值圖。 步驟(3)中根據(jù)強(qiáng)度碼與格雷碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如附圖7，可以求出掃描角，然后根
據(jù)三角法就可以得到點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。 實(shí)施例2 : 傳統(tǒng)格雷碼結(jié)構(gòu)光測(cè)量法，需要在投射格雷碼圖案的基礎(chǔ)上，再投射兩幅全亮和全暗的圖像，然后進(jìn)行歸一化，否則測(cè)量無法進(jìn)行。而本發(fā)明相對(duì)格雷碼而言，三幅梯形相移格雷碼中每個(gè)像素都具有最大值和最小值，具有自我歸一化的特點(diǎn)，勿需全亮和全暗圖像。在確保測(cè)量精度的同時(shí)，減少了投射次數(shù)，使測(cè)量簡單化。
實(shí)施例3: 提出梯形相移灰度強(qiáng)度碼梯形斜坡中心對(duì)應(yīng)格雷碼跳變點(diǎn)方法。 以往的格雷碼結(jié)合相移法(如上海交通大學(xué)國家模具CAD工程研究中心提出一種
相位結(jié)合格雷(Gray)編碼)用于結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)投射角空間的劃分時(shí)，格雷碼周期和相移
周期邊緣完全對(duì)應(yīng)，在實(shí)際求取絕對(duì)相位時(shí)，其在解碼后得到的初步周期分布并不和理論
值一樣，而是在投射圖案的周期邊界處存在1個(gè)條紋周期誤差，我們稱為周期錯(cuò)位。 針對(duì)這一問題，本發(fā)明提出梯形相移強(qiáng)度比法梯形斜坡中心對(duì)應(yīng)格雷碼跳變點(diǎn)方法，如圖4a，在所投射的梯形相移強(qiáng)度碼圖案中，根據(jù)I值的大小進(jìn)行排序，判斷像素處于
哪個(gè)周期。N為區(qū)域號(hào)，在一個(gè)周期里N二 1，2，…6，式(5)為判斷N值的方法
12 <I3<I,
13 <I2<I,
I,<I2<I3
(5)
I2<I, <I3 時(shí)，iV = l時(shí)， 7V = 2
時(shí)， iV = 3
時(shí)， TV = 4時(shí)， 7V = 5
時(shí)，7V = 6 本發(fā)明中強(qiáng)度碼斜坡中心對(duì)應(yīng)格雷碼跳變點(diǎn)的方法，傳統(tǒng)方法中格雷碼跳變點(diǎn)與相移邊緣嚴(yán)格對(duì)齊，而且一個(gè)格雷碼最小周期為6N，即24個(gè)像素。如圖4b所示，M點(diǎn)強(qiáng)度碼為(中Ol)，此點(diǎn)為格雷碼跳變邊緣值，一旦出現(xiàn)干擾變?yōu)?0中1)這個(gè)錯(cuò)誤在誤差范圍內(nèi)，眾所周知，格雷碼誤差范圍不允許M點(diǎn)被譯為(10中)。此時(shí)導(dǎo)致點(diǎn)被譯為格雷碼結(jié)束處，所以會(huì)有近一個(gè)格雷碼周期的誤差。本發(fā)明中我們將格雷碼跳變處與強(qiáng)度碼斜坡中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)，如圖4a，以M點(diǎn)為例，其強(qiáng)度碼為(中01)，若錯(cuò)為(IO中)，則只有一個(gè)強(qiáng)度碼誤差；但若錯(cuò)為(0中l(wèi))，則接近一個(gè)格雷碼周期誤差出現(xiàn)。但是M點(diǎn)強(qiáng)度值理論上為0.6，所對(duì)應(yīng)的低位N處于O的平坦處，所以誤差范圍內(nèi)不會(huì)允許出現(xiàn)O和中的反位誤差。同理，所有邊緣上的點(diǎn)都可以同樣證明。所以，本發(fā)明避免了一個(gè)格雷碼周期的誤差，只有接近一個(gè)像素的誤差。而且，本發(fā)明將一個(gè)最小格雷碼周期像素?cái)?shù)縮減為20個(gè)，避免了一個(gè)格雷碼周期內(nèi)開始和結(jié)尾處都處于一個(gè)強(qiáng)度碼，無法區(qū)分的缺點(diǎn)，并且避免了當(dāng)格雷碼出錯(cuò)時(shí)，導(dǎo)致的一個(gè)格雷碼周期的誤差。
實(shí)施例4 : 相對(duì)以往的強(qiáng)度比方法，本發(fā)明采用投射三幅圖像，根據(jù)公式(3)取整，得到
^力=2x round(^f^)+(_i廣'-，-^: -: ^:
—乂卞廣〃 乙wO,力—乙,"o，力
強(qiáng)度比r的變化范圍從1變?yōu)?，這使得測(cè)量范圍增大，測(cè)i
t更為精確'
權(quán)利要求
一種梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法，其特征是(1)首先采用向被測(cè)物投射二值灰度格雷碼，用最少的編碼步獲得格雷碼周期；(2)然后依次投射三幅梯形相移灰度強(qiáng)度碼，在其格雷碼基礎(chǔ)上給出更高精度的測(cè)量空間劃分；(3)兩者的結(jié)合獲得連續(xù)單值的測(cè)量空間劃分，從而獲得三維坐標(biāo)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法，其特征 是所述的步驟(1)是投射n幅不同的二值灰度格雷碼圖案到物體上，采集n幅灰度圖像到 電腦中，對(duì)n幅圖像進(jìn)行二值化，根據(jù)二值化的值按照編碼順序判斷出編碼周期K。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法，其特征 是所述的步驟(2)是采用梯形相移強(qiáng)度碼在已得到編碼周期的基礎(chǔ)上對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行更 高精度的測(cè)量空間劃分，此強(qiáng)度碼為循環(huán)碼；向被測(cè)物投射三幅梯形相移強(qiáng)度碼圖案，依次相差2T/5， T為一個(gè)格雷碼周期，根據(jù)同 一點(diǎn)在三幅圖像中的大小中值判斷N， N G [1， 6] ， N是強(qiáng)度碼周期，每6個(gè)強(qiáng)度碼形成一個(gè) 周期，利用公式將強(qiáng)度比值由(O，l)擴(kuò)展到(0，6)，擴(kuò)大了測(cè)量范圍。
4. 對(duì)根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法，其特征 是所述的步驟(3)是采用二值灰度格雷碼周期K與梯形相移灰度強(qiáng)度碼N相結(jié)合得到點(diǎn) 的三維坐標(biāo)值；根據(jù)格雷碼周期K和強(qiáng)度碼N將強(qiáng)度比值線性化，得到連續(xù)變化的強(qiáng)度比值，將強(qiáng)度比 值映射到投射角，通過投射角得到三維坐標(biāo)值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法， 其特征是采用梯形相移灰度強(qiáng)度碼對(duì)編碼圖像進(jìn)行投射時(shí)，三幅強(qiáng)度碼圖案中總有一幅 梯形斜坡中心點(diǎn)與格雷碼最小周期跳變點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，每一幅圖案相差2T/5個(gè)周期。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量 方法，其特征是三幅強(qiáng)度碼圖案每個(gè)點(diǎn)都有全亮全暗，勿需再投射全亮圖案和全暗圖案對(duì) 格雷碼進(jìn)行歸一化，減少投射次數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量 方法，其特征是一個(gè)格雷碼最小周期為20個(gè)像素，使得強(qiáng)度碼在一個(gè)格雷碼周期內(nèi)比傳 統(tǒng)的方法減少了 4個(gè)像素，即一個(gè)格雷碼周期只包括5/6個(gè)強(qiáng)度碼周期。
全文摘要
梯形灰度和二值灰度相結(jié)合的循環(huán)碼3D測(cè)量方法，光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)屬于非接觸測(cè)量，不需接觸被測(cè)物表面和高采樣密度是其主要優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)中，結(jié)構(gòu)光編碼法以其準(zhǔn)確度高、測(cè)量速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)在三維重構(gòu)、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。(1)首先采用向被測(cè)物投射二值灰度格雷碼，用最少的編碼步獲得格雷碼周期；(2)然后依次投射三幅梯形相移灰度強(qiáng)度碼，在其格雷碼基礎(chǔ)上給出更高精度的測(cè)量空間劃分；(3)兩者的結(jié)合獲得連續(xù)單值的測(cè)量空間劃分，從而獲得三維坐標(biāo)值。本發(fā)明應(yīng)用于三維測(cè)量技術(shù)中。
文檔編號(hào)G01B11/25GK101726259SQ20081013741
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者于曉洋, 單鸝娜 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)