[發明專利]一種基于灰度矩的面結構光系統亞像素精度解碼方法

在審

• 申請號: 201811398546.1
• 申請日: 2018-11-22
• 公開（公告）號: CN109685817A
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 劉山;李棟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06T7/13
• 分類號: G06T7/13;G06T7/62;G06T7/66;G01B11/25
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

1.一種基于灰度矩的面結構光系統亞像素精度解碼方法，其特征在于，包括以下步驟：

(a)使用條紋編碼方法設計面結構光投影圖案，通過投影儀將投影圖案投射到被測物體表面，同時用照相機拍攝形變后的投影圖案獲得編碼圖像；

(b)將編碼圖像作為目標圖像進行Canny算子邊緣檢測，獲得目標圖像的像素級邊緣點；

(c)根據Canny算子獲得的像素級邊緣點，將每個像素級邊緣點鄰域的7*7像素小塊提取出來，并對該像素小塊使用灰度矩的方法，檢測像素小塊內的亞像素級邊緣，具體為：根據該像素小塊的灰度值，估計出該像素小塊的0階、1階、2階和3階灰度矩，由于灰度矩的值受像素小塊內的灰度值所影響，所以根據像素小塊內的前3階灰度矩推算出像素小塊內灰度分界的位置，由此得到亞像素邊緣所處的位置，從而使解碼操作達到亞像素精度。

2.根據權利要求1所述的基于灰度矩的面結構光系統亞像素精度解碼方法，其特征在于，所述步驟(a)中，可以采用二值編碼方法、灰度編碼方法、二值格雷碼編碼方法等條紋編碼方法對投影圖案進行編碼設計，獲得一個投影圖案序列，并將這些圖案依次投影至被測物體表面，由物體形狀的影響，照射在物體上的投影圖案會產生形變，用照相機拍攝獲得編碼圖像。

3.根據權利要求1所述的基于灰度矩的面結構光系統亞像素精度解碼方法，其特征在于，所述步驟(b)中，Canny算子邊緣檢測包含以下步驟：運用高斯濾波器對編碼圖像進行平滑濾波，減少噪聲的影響；用一階邊緣差分算子計算梯度幅值和方向；對梯度幅值進行非極大值抑制，即在梯度方向上只選擇梯度最大的點作為候選邊緣點；用雙閾值算法檢測和連接邊緣。

4.根據權利要求1所述的基于灰度矩的面結構光系統亞像素精度解碼方法，其特征在于，所述步驟(c)具體如下：

(1)將二維連續函數f(x,y)的k階灰度矩m_k表示為公式(1)，S為積分區域的面積：

假設在單位圓O中存在一條邊緣，該邊緣同側區域內的灰度值均相同，分別記其兩側的灰度值為h1和h2，并設h1<h2；以ρ表示邊緣到圓心O的距離，θ表示圓心到該邊緣的垂線與x軸的夾角，α表示該邊緣所對應的圓心角的一半，S₂表示陰影區域的面積，S₁表示非陰影區域的面積，p1和p2分別表示灰度值為h1和h2的區域在圓內所占的比例；圓內的k階灰度矩表示為：

其中：

p1+p2＝1 (3)

p2＝S₂/π (4)

(2)根據公式(2)，將k＝0,1,2,3分別帶入，得到圓內的前3階灰度矩：

該組方程中有4個未知數：p1，p2，h1，h2，解算出其解為：

其中：

(3)S₂的面積用幾何的方法算出：

S₂＝α-sinαcosα＝α-1/2sin 2α (9)

令p＝min(p1,p2)，則有：

α-1/2sin 2α＝πp (10)

求解該方程得到α，計算出邊緣到圓心O的距離：

ρ＝cosα (11)

計算圓心到該邊緣的垂線與x軸的夾角θ；單位圓內的灰度重心(x₀,y₀)為：

那么有：

(4)選取Canny算子獲得的一個像素級邊緣點，并將其7*7鄰域內的像素小塊提取出來，作為解碼區域，記為Σ；對于解碼區域Σ，其k階灰度矩表示為公式(16)，其中I(x,y)表示數字圖像在像素點(x,y)處的灰度值，n為解碼區域中像素個數：

(5)對解碼區域Σ進行灰度矩估計：將解碼區域Σ對應到一個半徑為1的單位圓內，圓心在Σ的中心，單位圓內的灰度矩表示為：

其中，I_j表示解碼區域中第j小塊的像素值，w_j表示解碼區域中第j小塊對應的權值，即該小塊內陰影部分的面積占單位圓面積的比例；

將w_j構成的權值矩陣w轉換為一個卷積核，通過圖像卷積操作估計出解碼區域的灰度矩；

(6)估算出解碼區域的灰度矩后，根據公式(5)-(8)計算出p1，p2，h1，h2；根據公式(10)-(11)計算出邊緣到圓心O的距離ρ；對于數字圖像，其灰度重心可以表示為：

根據公式(14)-(15)計算圓心到該邊緣的垂線與x軸的夾角θ；由此，可以得到邊緣直線方程如下：

根據公式(20)，可以定位到亞像素級別的邊緣，具有亞像素級解碼精度；

(7)根據以上得到的亞像素邊緣進行解碼操作，可以得到高精度面結構光測量結果。