專利名稱：基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置技術(shù)領(lǐng)域,本實(shí)用新型涉及一種基于綠條紋分割的彩色結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，涉及 視覺傳感測量技術(shù)與系統(tǒng)、三維信息采集與重構(gòu)領(lǐng)域。
技術(shù)背景在非接觸三維測量技術(shù)中，視覺三維測量技術(shù)是獲取物體三維信息有效 的手段之一，它無需接觸被測物表面，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，具有速度高、效率高、自動化程度高、 造價較低等優(yōu)點(diǎn)。目前視覺三維測量技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向包括有結(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)光法具有成本低、分 辨率高和速度快優(yōu)勢，被公認(rèn)為實(shí)用性最強(qiáng)的光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)，正 日益受到重視并得到應(yīng)用。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由攝像機(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。在結(jié)構(gòu)光法中，相比投射點(diǎn)、線光束的結(jié)構(gòu)光掃描法，結(jié)構(gòu)光編碼法向 景物投射編碼圖案，大大提高了測量速度并解決了掃描法圖案混淆問題，因 此結(jié)構(gòu)光編碼法以其準(zhǔn)確度高、測量速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)在三維重構(gòu)、工 業(yè)測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。結(jié)構(gòu)光的編碼方法可分為時間編碼、空 間編碼和直接編碼，三者各具優(yōu)缺點(diǎn)。它們都可采用灰度或顏色來進(jìn)行編碼， 灰度編碼技術(shù)的研究更成熟一些。然而隨著處理彩色圖像的彩色傳感器和硬 件價格變得更容易接受，彩色圖像處理技術(shù)應(yīng)用也日益廣泛。在以往的研究中彩色編碼多用于空間編碼和直接編碼，而且大都能用于動態(tài)物體的測量，但由于基于CCD攝像機(jī)的顏色保真度及分辨率的影響，對 三維物體的測量精度不高，很難用于精確物體的測量。在已有的幾種彩色時 間編碼方法中，精度較之空間編碼和直接編碼有所提高，但也存在由于運(yùn)用的顏色一般多于三種，出現(xiàn)顏色混淆不易識別的問題，而且通常釆樣密度和 分辨率都不髙。針對彩色時間編碼結(jié)構(gòu)光技術(shù)，目前尚不能做到攝像機(jī)硬件 設(shè)備的更換對系統(tǒng)的影響。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種消除硬件設(shè)備對顏色的耦合影響、提取綠 條紋中心以消除格雷碼一位轉(zhuǎn)換誤差，提取綠條紋左右邊界以提高物面采樣 密度，從而實(shí)現(xiàn)高采樣密度亞像素分辨率的測量裝置。上述的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，其組成包括投影儀，所述的投 影儀為用于產(chǎn)生基于綠條紋分割的由紅綠藍(lán)三基色組成的結(jié)構(gòu)光、其中紅藍(lán) 按格雷碼編碼方式編排，每相鄰紅藍(lán)編碼之間用四個像素的綠條紋分割的投 影儀，所述的投影儀與計(jì)算機(jī)連接，該計(jì)算機(jī)為用于產(chǎn)生彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖 案、同時控制攝像機(jī)拍攝被物體調(diào)制后的圖像的計(jì)算機(jī)。所述的基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，所述的攝像機(jī)與所述的投 影儀、物體在同一水平面，它們之間的連線成直角三角形狀態(tài)，攝像機(jī)與物 體的連線位于直角三角形的斜邊上。本實(shí)用新型的有益效果-1. 本實(shí)用新型投射的編碼圖案是基于綠條紋分割的紅藍(lán)格雷碼編碼。該 編碼方法采用三基色紅(255，0，0)、綠(0，255，0)、藍(lán)(0，0，255)編碼，這使拍攝的 條紋圖像中各種顏色之間、系統(tǒng)噪聲的影響都大大減少，有利于圖像正確解 碼得到可靠的處理數(shù)據(jù)。2. 本實(shí)用新型具有成本低、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。3. 本實(shí)用新型可針對不同CCD的硬件設(shè)備顏色分量之間的耦合現(xiàn)象，采 取不同的測量方法以消除硬件設(shè)備對三維物體的測量影響。


附圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是紅藍(lán)格雷碼編碼圖案。紅格雷碼為白色，藍(lán)格雷碼為斜線。 附圖3是綠條紋分割的紅藍(lán)格雷碼編碼圖案。紅格雷碼為白色，藍(lán)格雷碼為斜線，綠條紋為交叉斜線。附圖4是各像素顏色分量歸一化。附圖5是綠條紋中心及邊界定位。附圖6是投射的紅綠藍(lán)圖像。附圖7是投射圖像第300行掃描圖。附圖8是拍攝的紅綠藍(lán)圖像第300行掃描圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，其組成包括:投影儀1，所述的用 于產(chǎn)生基于綠條紋分割的由紅綠藍(lán)三基色組成的結(jié)構(gòu)光、其中紅藍(lán)按格雷碼 編碼方式編排，每相鄰紅藍(lán)編碼之間用四個像素的綠條紋分割的投影儀1通 過電線與一個用于產(chǎn)生彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖案、同時控制攝像機(jī)拍攝被測物體3調(diào)制后的圖像的計(jì)算機(jī)4連接，所述的計(jì)算機(jī)4通過電線與用于拍攝上述結(jié) 構(gòu)光照射下的物體的彩色攝像機(jī)2連接。攝像機(jī)與投影儀、物體在同一水平面，它們之間的的連線成直角三角形 狀態(tài)，攝像機(jī)與物體的連線位于直角三角形的斜邊上，且該連線與攝像機(jī)和 投影儀連線成55度關(guān)系。基于綠條紋分割的彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖案是利用三基色紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B) 迸行編碼，使得每種顏色之間的差別達(dá)到最大易于解碼；連續(xù)依次投射的編 碼圖案中紅藍(lán)條紋按格雷碼方式編排，并且在每相鄰的紅藍(lán)條紋中插入四個 像素寬的綠條紋，提取綠條紋中心及左右邊界實(shí)現(xiàn)高采樣密度亞像素分辨率 的測量。工作過程:-計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的基于綠條紋分割的紅藍(lán)驢碼隨通過DLP投 影儀投射到空間的三維物體上，DLP投影儀與水平面成直角發(fā)出的光束范圍 為45° ，再由計(jì)算機(jī)控制CCD攝像機(jī)拍得由物體調(diào)制后的條紋圖像，該攝 像機(jī)與水平面成銳角，發(fā)出的光束范圍為40° 。攝像機(jī)獲得的條紋圖像再送 回計(jì)算機(jī)，由于被照射物體、DLP投影儀及CCD攝像機(jī)呈三角形關(guān)系位置， 根據(jù)三角法原理獲得三維物體的空間坐標(biāo)。工作原理 編碼解碼原理本實(shí)用新型投射的編碼圖案是基于綠條紋分割的紅藍(lán)格雷碼編碼。該編 碼方法采用三基色紅(255，0，0)、綠(0，255，0)、藍(lán)(0，0，255)編碼，這使拍攝的條 紋圖像中各種顏色之間、系統(tǒng)噪聲的影響都大大減少，有利于圖像正確解碼 得到可靠的處理數(shù)據(jù)。格雷碼編碼方法是一種可靠、錯誤最小化的編碼，其循環(huán)、單步特性消 除了隨機(jī)取數(shù)時出現(xiàn)重大誤差的可能，但其每相鄰兩列的碼值中會出現(xiàn)一位 的譯碼轉(zhuǎn)換誤差。附圖2是紅藍(lán)格雷碼編碼圖案，圖中白色代表紅條紋，黑 色代表藍(lán)條紋，若投射w幅圖案可得到2"個條紋編碼，圖中給出的是投射5 幅時的編碼圖案，得到25=32個條紋編碼值，圖中m、 w2、 w3、 #14、 iis為投射 序列。附圖3是用綠條紋對紅藍(lán)條紋加以分割時的編碼圖案，其中帶網(wǎng)格圖案 代表綠條紋，綠條紋像素寬度為四位分別占紅藍(lán)條紋的兩位。提取綠條紋中 心可實(shí)現(xiàn)像素邊緣解碼，消除格雷碼一位轉(zhuǎn)換誤差。投射/i幅圖像得到的"幅圖像中綠條紋中心的像素邊緣解碼值可由公式 (l)獲得<formula>formula see original document page 6</formula>(i)式中/t表示綠條紋中心的像素邊緣解碼值，r表示條紋圖像中像素的碼值， 規(guī)定紅條紋像素碼值為o，藍(lán)條紋像素碼值為i。取r。等于o。 z代表投射圖案的 次序。n代表第一幅圖像中當(dāng)前像素的碼值，同理r2代表第二幅投射圖像中對應(yīng)像素的碼值，依此類推7}.1代表第/-1幅中對應(yīng)像素的碼值。附圖3中綠條紋中心分別位于第4、 8、 12、 16、 20、 24、 28列邊緣上。 以第三幅("=3， /=3)第三個綠條紋中心為例，它的解碼值由前兩幅該位置的紅 藍(lán)碼值決定的，公式(l)中的rn規(guī)定為O,第/n幅中與該綠條紋中心對應(yīng)的條紋顏色為藍(lán)r,值為i，則k與rj的異或值為i，第"2幅中與該綠條紋中心對應(yīng)的條紋顏色仍為藍(lán)r2值仍為i，那么r2與前一異或結(jié)果進(jìn)行異或后為o， 分別把它們代到公式(i)中，得到該綠條紋中心的碼值為20代表第20列像素 邊緣。依此類推可獲得所有綠條紋中心的像素邊緣解碼值。從圖3中可以看出每一綠條紋中心提取出的條紋邊緣編碼值只依賴于前[l，...，z'-ll幅的紅藍(lán)條紋碼值的異或值所決定。也就是綠條紋中心的碼值與其所在的投射圖案無關(guān)， 因此該編碼方法可消除格雷碼的一位轉(zhuǎn)換誤差。而且該方法各列之間沒有相 互依賴性，可避免當(dāng)物體表面不連續(xù)或非常陡峭時由于條紋壓縮嚴(yán)重或丟失 產(chǎn)生的解碼誤差。附圖3中投射幅數(shù)為3幅，提取綠條紋中心得到23-1=7個碼值，同時提取 前兩幅中綠條紋的左右邊界可得到23-2=6個碼值。因此投射《幅圖像會可到 2"+l-3個碼值，比紅藍(lán)格雷碼2"個編碼數(shù)量提高了近一倍，從而實(shí)現(xiàn)高采樣 密度。投射/t幅圖像得到的前/f-l幅圖像中綠條紋左右邊界確定的像素邊緣解碼 值可由公式(2)獲得A: = 2"+2 + r0.2"+2 + r0十7;. 2"+1 + r0十7;十r2.2" +… + (r0@z;e)r2^..@7;—,.2"-'+3) + g.2(2)式中G的取值為-1或+1，當(dāng)提取的是綠條紋的左邊界時(？取-l，右邊界 時取+1。其中，)fc表示綠條紋左右邊界的像素邊緣解碼值，其它符號與公式(l) 中的符號規(guī)定一致。附圖3中前兩幅綠條紋邊界分別位于第6、 10、 14、 18、 22、 26列邊緣上。 以第二幅(《=3， —2)第一個綠條紋右邊界為例，它的解碼值由前一幅該位置的 紅藍(lán)碼值決定的，公式(2)中的r。規(guī)定為0，第m幅中與該綠條紋右邊界對應(yīng) 的條紋顏色為紅貝IJK值為0，則rc與7^的異或值為0，因?yàn)槭蔷G條紋的右邊 界，所以G取+1，把它們代到公式(2)中，得到該綠條紋邊界碼值為10代表 第10列像素邊緣。同樣，該處像素邊緣的碼值是由其前1，...，/-1幅的紅藍(lán)條 紋碼值決定，可避免當(dāng)物體表面不連續(xù)或非常陡峭時由于條紋壓縮嚴(yán)重或丟 失產(chǎn)生的解碼誤差。至此，投射w幅條紋圖案會得到2"+l-3個像素邊緣，而且去掉的三個邊 緣是位于投射圖案兩側(cè)的，通常落在背景上，對三維物面的重構(gòu)不產(chǎn)生影響， 因此相當(dāng)于物面采樣率提高了一倍，而且克服了格雷碼一位轉(zhuǎn)換誤差。3.紅綠藍(lán)彩色條紋分割 由公式(l)、 (2)可看出要想獲得正確的像素邊緣解碼值必須對紅、綠、藍(lán) 條紋區(qū)域做到正確的分割。為消除光照不均勻及物面顏色帶來的影響，本方 法中彩色條紋的分割需進(jìn)行歸一化處理，它是建立在對條紋圖像的每個像素 的每個R、 G、 B分量進(jìn)行歸一化處理的基礎(chǔ)上的。歸一化編碼要求在一個編碼值中至少有一個最小值和一個最大值。投射 的彩色條紋只采用每一分量中的最大灰度級255和最小灰度級0，且最大灰度 級在三分量中只出現(xiàn)一次。將附圖3所示的投射圖案中第9列到第24列條紋的 各像素的顏色分量展開，如附圖4所示，圖中白色代表紅條紋，黑色代表藍(lán)條 紋，網(wǎng)格代表綠條紋。從圖中可看出，每個像素的每個顏色分量在其所投射 的三幅圖像中都存在最大值(記為l)和最小值(記為O)。那么，對于拍攝的 條紋圖像任意一個像素來說，它的三個顏色分量中的每一分量在連續(xù)投射的 多幅圖像中既有最大值出現(xiàn)，也會有最小值出現(xiàn)，因此可以將每個像素的每 個顏色分量歸一化，從而達(dá)到顏色的歸一化。利用顏色分量的歸一化為每個像素的每個R、 G、 B分量都產(chǎn)生自己的單 一閾值，以此對每個顏色分量進(jìn)行閾值分割，從而完成紅綠藍(lán)彩色條紋的自乂適應(yīng)閾值分割。4.綠條紋中心及左右邊界亞像素定位本裝置中為正確獲得像素邊緣，關(guān)鍵一點(diǎn)是正確提取綠條紋的中心及左 右邊界，為此采樣一種行掃描技術(shù)，就是對拍攝圖案中每一行像素進(jìn)行掃描， 分析各像素紅綠藍(lán)分量的特征來定位綠條紋中心及邊界。附圖5所示為拍射圖 案中某一行像素的行掃描圖的一部分。附圖5中虛線代表綠分量，粗實(shí)現(xiàn)代表 紅分量，細(xì)實(shí)線代表藍(lán)分量，橫坐標(biāo)為像素列坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為該點(diǎn)像素分量 的灰度值。提取附圖5(a沖的綠分量各個頂點(diǎn)可以找到綠條紋的中心，利用附 圖5(b)和(c)中紅綠分量、藍(lán)綠分量行掃描線的交點(diǎn)可以獲得綠條紋的左右邊界。但事實(shí)上，每個基于CCD的彩色攝像機(jī)對顏色分量的影響都是不相同的， 也就是雖然投射圖案中各個顏色的強(qiáng)度是相同的，但拍得圖像的顏色之間存 在著互相耦合的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會使上述綠條紋中心和左右邊界的定位不準(zhǔn) 確。附圖6是投影儀投射的一幅含有紅綠藍(lán)三種顏色條紋的圖像，白色代表紅 條紋，灰色代表綠條紋，深灰色代表藍(lán)條紋。圖7是投射圖像中第300行的各 分量行掃描圖，附圖7(a)中的粗實(shí)線代表紅分量掃描圖，附圖7(b)中的虛線是 綠分量的行掃描圖，附圖7(c)中的細(xì)實(shí)線是藍(lán)分量的行掃描圖。從圖中顯示各 分量間沒有影響，也就是說投射圖案中紅、綠、藍(lán)的灰度級是相同的。附圖8 是用某一彩色CCD攝像機(jī)拍攝附圖6圖像的第300行的各分量行掃描圖，從圖 中可以看出各顏色分量之間存在著顏色耦合現(xiàn)象，綠、藍(lán)對紅的耦合十分強(qiáng) 烈，紅分量的最大灰度值由原先的255變化到150左右。為解決這種硬件設(shè)備各顏色分量耦合的影響，在采樣行掃描方法對綠條 紋中心及邊界定位時，先計(jì)算出紅藍(lán)對綠條紋的耦合系數(shù)，利用此系數(shù)對綠 條紋中心及邊界進(jìn)行亞像素定位，以此獲得更精確的條紋定位。得到條紋精確定位和相應(yīng)碼值后，可依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)對三維物體迸行重構(gòu) 和測量，系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定可采用傳統(tǒng)的標(biāo)定方法來獲得。
權(quán)利要求1.一種基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，其組成包括投影儀，其特征是所述的投影儀為用于產(chǎn)生基于綠條紋分割的由紅綠藍(lán)三基色組成的結(jié)構(gòu)光、其中紅藍(lán)按格雷碼編碼方式編排，每相鄰紅藍(lán)編碼之間用四個像素的綠條紋分割的投影儀，所述的投影儀與計(jì)算機(jī)連接，該計(jì)算機(jī)為用于產(chǎn)生彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖案、同時控制攝像機(jī)拍攝被物體調(diào)制后的圖像的計(jì)算機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，其特征 是所述的攝像機(jī)與所述的投影儀、物體在同一水平面，它們之間的的連線 成直角三角形狀態(tài)，攝像機(jī)與物體的連線位于直角三角形的斜邊上。
專利摘要基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置。在以往的研究中由于基于CCD攝像機(jī)的顏色保真度及分辨率的影響，對三維物體的測量精度不高，很難用于精確物體的測量。本產(chǎn)品組成包括投影儀(1)，所述的投影儀(1)為用于產(chǎn)生基于綠條紋分割的由紅綠藍(lán)三基色組成的結(jié)構(gòu)光、其中紅藍(lán)按格雷碼編碼方式編排，每相鄰紅藍(lán)編碼之間用四個像素的綠條紋分割的投影儀，所述的投影儀(1)與計(jì)算機(jī)(4)連接，該計(jì)算機(jī)為用于產(chǎn)生彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖案、同時控制攝像機(jī)(2)拍攝被物體調(diào)制后的圖像的計(jì)算機(jī)。本產(chǎn)品用于視覺傳感測量技術(shù)與系統(tǒng)、三維信息采集與重構(gòu)領(lǐng)域。
文檔編號G06T17/00GK201218726SQ200820089810
公開日2009年4月8日 申請日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者于曉洋, 關(guān)叢榮 申請人:哈爾濱理工大學(xué)