[發明專利]一種高適應性彩色結構光三維測量方法

有效

• 申請號: 201110366865.6
• 申請日: 2011-11-18
• 公開（公告）號: CN102519394A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 達飛鵬;胡路遙;陸海洲
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

1.一種基于彩色光柵投影的快速三維測量方法，其特征在于，具體操作步驟如下：

步驟1：設計彩色光柵：

步驟11：列出用于編碼的六種純色：采用對24位真彩圖像三個分量R、G、B分別賦值實現，24位真彩圖像的R、G、B分量分別是8位，有256個灰階，把每個分量只取0和255兩種值，并將灰階為255時記為1，灰階為0時記為0，這樣R、G、B分量的取值分別為0或1，們選取紅(100)、品紅(101)、藍(001)、青(011)、綠(010)、黃(110)六色進行編碼，

步驟1.2：選擇彩色條紋的數目為33條，并為彩色條紋編號：藍(001)、青(011)、綠(010)、黃(110)、紅(100)、品紅(101)條紋編號依次記為1、2、3、4、5、6，

步驟1.3：確定編碼周期，并列出長度為此編碼周期的所有可能的彩色條紋編碼組合：以4個彩色條紋為編碼周期，根據步驟1.2中設定的編號，滿足格雷編碼且編碼周期為4個彩色條紋的所有可能的彩色條紋編碼組合的集合s為：

s＝{

1234，1232，1212，1216，1654，1656，1616，1612，

2345，2343，2323，2321，2165，2161，2121，2123，

3456，3454，3434，3432，3216，3212，3232，3234，

4561，4565，4545，4543，4321，4323，4343，4345，

5612，5616，5656，5654，5432，5434，5454，5456，

6123，6121，6161，6165，6543，6545，6565，6561，

???????????????????????????????????????????????????}

步驟1.4：確定各個編碼周期的彩色條紋編碼：

步驟1.4.1：建立彩色條紋集合I_o且彩色條紋集合I_o為空，將步驟1.3中列出的所有可能的彩色條紋編碼組合的集合s作為待選區，從集合s中任意選擇一個彩色條紋編碼組合設為s_j，j＝0，并將彩色條紋編碼組合s_j中的四個元素依序列入彩色條紋集合I_o，在彩色條紋集合I_o中形成彩色條紋序列，并將彩色條紋編碼組合s_j從集合s中刪除，集合s中剩余元素形成選擇下一個彩色條紋編碼組合的待選區sr，

步驟1.4.2：取彩色條紋編碼組合s_j的后3個元素作為當前所選彩色條紋編碼組合s_j+1的前3個元素并以此作為候選條件，從待選區sr中尋找滿足候選條件的彩色條紋編碼組合s_j+1，將彩色條紋編碼組合s_j+1的最后一個元素補入I_o并列于彩色條紋序列的尾部，同時，從sr中刪除彩色條紋編碼組合s_j+1，集合s中剩余元素形成的選擇下一個彩色條紋編碼組合的待選區，

步驟1.4.3：如果j+1＝33，則彩色條紋集合I_o的彩色條紋序列為投影光柵的編碼，并進入步驟1.5；否則，令j＝j+1，返回步驟1.4.2，

步驟1.5：對設計完成的彩色編碼條紋序列中RGB分量依據公式(1)做正弦調制最終得到用于投影的彩色光柵，

Irn′(x,y)=sin(πtω)Irn(x,y)Ign′(x,y)=sin(πtω)Ign(x,y)Ibn′(x,y)=sin(πtω)Ibn(x,y)---(1)]]>

式中，I′_rn(x，y)，I′_gn(x，y)，I′_bn(x，y)分別表示用于投影的彩色光柵的第n條編碼條紋的R、G、B分量，I_rn(x，y)，I_gn(x，y)，I_bn(x，y)分別表示彩色編碼條紋序列的第n條編碼條紋的R、G、B分量，ω為條紋寬度，其值為32個像素，x、y分別表示橫、縱方向像素坐標，像素點(x，y)為所屬單個條紋內橫向的第t個像素，t的取值在0～ω之間，

步驟1.6：對步驟1.5得到的彩色光柵，依據公式(2)計算得到輔助光柵，

Irn′′(x,y)=255-Irn′(x,y)Ign′′(x,y)=255-Ign′(x,y)Ibn′′(x,y)=255-Ibn′(x,y)---(2)]]>

式中，I′_rn(x，y)，I′_gn(x，y)，I′_bn(x，y)分別表示用于投影的彩色光柵的第n條編碼條紋的R、G、B分量，I″_rn(x，y)，I″_gn(x，y)，I″_bn(x，y)分別表示輔助光柵的第n條編碼條紋其R、G、B分量，

步驟2：通過計算機和投影儀分別將彩色光柵與輔助光柵投影到被測物體上，并用攝像機分別取回彩色光柵與輔助光柵的變形圖，

步驟3：對取回彩色光柵與輔助光柵的變形圖進行處理，計算其各像素點的反射率，并根據反射率對彩色光柵的變形圖進行補償：

步驟3.1：根據式(3)計算其各像素點的反射率：

kr(x,y)kg(x,y)kb(x,y)=R(x,y)G(x,y)B(x,y)+R′(x,y)G′(x,y)B′(x,y)---(3)]]>

式中，x、y分別表示橫、縱方向像素坐標，k_r(x，y)，k_g(x，y)，k_b(x，y)分別表示彩色光柵的變形圖的像素點(x，y)的R、G、B分量反射率，R′(x，y)，G′(x，y)，B′(x，y)分別表示輔助光柵的變形圖的像素點(x，y)的R、G、B分量，R(x，y)，G(x，y)，B(x，y)分別表示彩色光柵的變形圖的像素點(x，y)的R、G、B分量，

步驟3.2：根據式(4)對彩色光柵的變形圖進行補償：

R′′(x,y)G′′(x,y)B′′(x,y)=R(x,y)/kr(x,y)G(x,y)/kg(x,y)B(x,y)/kb(x,y)---(4)]]>

式中，x、y分別表示橫、縱方向像素坐標，k_r(x，y)，k_g(x，y)，k_b(x，y)分別表示彩色光柵的變形圖的像素點(x，y)的R、G、B分量反射率，R″(x，y)，G″(x，y)，B″(x，y)分別表示補償后的彩色光柵變形圖的像素點(x，y)的R、G、B分量，R(x，y)，G(x，y)，B(x，y)分別表示彩色光柵的變形圖的像素點(x，y)的R、G、B分量，

步驟4：對補償后的彩色光柵變形圖進行處理，得到包裹相位、相位周期信息和最終相位圖像，

步驟5：讀取最終相位圖像中各像素點對應的最終相位值，依據經典光柵投影測量系統原理求得被測物體的高度信息，從而實現三維信息的獲取。

2.根據權利要求1所述的基于彩色光柵投影的快速三維測量方法，其特征在于，對補償后的彩色光柵變形圖的處理采用如下方法：

步驟4.1：將補償后的彩色光柵變形圖轉換到HSV空間，取V分量作為補償后的彩色光柵變形圖的光強分布圖，該光強分布圖表達式如下：

(5)

式中，x、y分別表示橫、縱方向像素坐標，a(x，y)為背景光強，b(x，y)為調制光強，I(x，y)為彩色光柵變形圖中的光強分布圖在(x，y)位置處的光強，ρ為彩色投影光柵中的單個彩色條紋寬度，j為虛數單位，為待測彩色光柵變形圖的包裹相位值，

由歐拉公式原理，式(5)可改寫為如下形式：

I(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(2πjf₀x)+c^*(x，y)exp(-2πjf₀x)???(6)

其中，???????????????????????????????????????????????????????????????(7)

x、y分別表示橫、縱方向像素坐標，c^*(x，y)為c(x，y)的共軛復數，j為虛數單位，f₀為投影光柵在參考面上未變形條紋的空間頻率，

對式(6)中所示的一維光強信號I(x，y)沿著正x方向進行一維傅里葉變換，可得，

F[I(x，y)]＝A(f，y)+C(f-f₀，y)+C^*(f+f₀，y)????(8)

式中F[I(x，y)]，A(f，y)，C(f-f₀，y)，C^*(f+f₀，y)分別表示I(x，y)，c(x，y)，c^*(x，y)對應頻域中的傅里葉頻譜，然后濾波提取含有相位信息的基頻分量C(f-f₀，y)，通過基頻分量做逆傅里葉變換得到c(x，y)exp(2πjf₀x)，得到彩色光柵變形圖的包裹相位圖，包裹相位值為

這里解得的變化范圍為0～2π，即每經歷一個2π的變化發生一次周期跳變，最終得到包裹相位信息，

步驟4.2：對補償后的彩色光柵變形圖進行彩色分割：

將補償后的彩色光柵變形圖轉換至HSV空間，將S分量與V分量均賦值為255以消除亮度和飽和度的影響，然后將處理后的彩色光柵變形圖轉換回RGB空間，對RGB三分量分別用大津法進行閾值分割，

步驟4.3：解碼：

對步驟4.2得到的彩色分割結果進行解碼，得出彩色分割結果中的彩色條紋與用于投影的彩色光柵中各條紋的對應關系，即求得它們對應的位置編碼，這個位置編碼也就是相位周期性展開中用到的相位周期信息，解碼的具體步驟如下：

步驟4.3.1：數據預處理，首先建立一個標志數組，其元素數與圖像中像素數相等，即數組的每個元素都與圖像中相應位置的像素對應，將圖像中出現的六種顏色藍色、青色、綠色、黃色、紅色、品紅編號為1、2、3、4、5、6，標志數組中存儲的就是彩色分割結果對應位置像素的顏色編號，這樣可以避免在后續處理中多次訪問像素的三個顏色分量而影響處理速度，

步驟4.3.2：對標志數組進行遍歷，把其中的分量分組為背景部分和有用條紋信息部分，以減少需要處理的數據量，

步驟4.3.3：逐行遍歷得出改善后的彩色分割結果中各行各像素對應彩色條紋的位置編碼：

①從左到右遍歷第i行像素，標志出各條紋的邊界，并根據步驟4.1中得到的包裹相位圖中邊界跳變信息對彩色分割結果中的條紋邊界加以修正，

②判斷出彩色分割結果中各條紋的位置編碼。從左到右依次取出各個編碼周期的條紋，即每次取出相鄰的四個條紋，將其排列順序與用于投影的彩色光柵中的條紋序列進行對比，由于相鄰四個條紋的組合都是唯一的，當找到匹配的組合時，就能確定取出的四個條紋的位置編碼，同理確定該行所有條紋的位置編碼，

③用各像素所屬條紋的位置編碼取代標志數組中的顏色編號，只要該位置像素不屬于背景部分，則把對應位置的元素值換成該像素所屬條紋的位置編號，即對應于彩色光柵變形圖中攜帶的相位周期信息，

步驟4.4：包裹相位的展開：將步驟4.3中得到的對應于彩色光柵變形圖中攜帶的相位周期信息結合步驟4.1中得到的包裹相位信息，依據式(10)對相位展開得到最終相位φ(x，y)，

式中，n為條紋位置編號，即相位的周期信息，為包裹相位。