CN100394141C - 基于领域唯一性的高效结构光的实现方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种基于领域唯一性的高效结构光的实现方法，该方法为在结构光系统中为光投影器件产生高效编码光模板并用于三维重建，包括以下步骤：(1).选择不同的颜色组成编码集合；(2).从颜色集合中选出元素，把每个光格用一种颜色来表示，并进行特定的编码组合产生光模板，相邻光格组成编码字，编码字的领域具有唯一性；(3).将编码字一一对应到光投影器件的输出光束以输出光束；(4).将获取的图像对应到光模板计算得到三维空间坐标。实现高效结构光的装置组件包括光投影器件、摄像机、微处理器，微处理器包括颜色集合模块、编码模块、编码字解码模块、三维坐标计算模块。本发明三维感知数度快、重构效率高、使用成本低。

Description

基于领域唯一性的高效结构光的实现方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及基于计算机视觉的三维测量方法和数学空间编码方法及其装置。该方法主要用于三维物体表面重构，具有广宽的应用范围，典型的包括制造工业中的工件检测、场景深度感知、反向工程、物体识别等。

(二)背景技术

在基于计算机视觉的三维感知技术中，双目立体视觉(stereovision)是一种常见的方法，它从二个或多个视点来得到场景图像并建立点对点匹配关系从而确定三维位置参数。如果摄像机事先已被标定，这种三角测量方法是可行的(虽然有一定的精度和可靠性限制)。然而，当考虑极线约束问题时，这种图像点之间的正确匹配实际上有很大的困难。这些问题在很大程度上限制了双目立体视觉的实际应用范围。一些单目视觉的方法(如Shape-from-Texture和Shape-from-Shading等)则精度和可靠性很差，实际工业应用更加不现实。另外，一些其它的激光深度感知和三目视觉等方法也有设备昂贵、工作效率低、结构复杂等缺点。例如，国际上一台中等性能的深度扫描器价格一般在100万人民币左右，一次三维扫描过程需要0.5-2小时，也难以安装到其它机器人进行自动控制和使用。

如果采用编码结构光视觉系统，则可以达到较高的测量速度、测量精度和较低的设备成本。其原理是把立体视觉一个摄像机用模式投射仪来代替。该投射仪发出一组可编码的能量模板并投射到物体表面上，这种能量可以是激光、红外线、或普通光等。另一个接受器(感知摄像机)探测到经物体表面反射的能量后即可利用三角形原理进行三维重构。简单地，用一个LCD视频投影机和一个CCD摄像机就可以组成这样的一个系统。相比双目立体视觉，由于这个外部的投射装置被用来主动地发出某种能量，也就是说它们是以特定的方式来探测场景而不是被动地依靠自然光能，所以其视觉过程基本上不存在匹配歧义问题，可以直接得到物体的外形信息，而且可靠性好精度比较高。

实现时，为了提高三维测量的效率，所投射的光可以经过某种编码的，并且在系统中有特定结构，我们称之为光模板。这种结构化的光模板编码技术有多种。经过深入调查和总结，我们将现有的编码方法分为三类(除了点扫描和线扫描等简单低效的方法之外)：时间多分辨率的(Time-multiplexing)、空间领域的(Spatial Neighborhood)、和直接编码的。时间多分辨率的编码方法需要进行多次光投射，主要是基于二进制编码的。空间领域法分为非形式编码法、De Bruijn序列法和M-阵列法三种。直接法是根据灰度和彩色的逐渐变化直接输出光条纹。就编码策略来说，这些方法有周期的也有绝对的，其象素深度用到了黑白、灰度级和彩色。

然而由于这些现有方法本身的一些原因，它们大多只能用于静态物体的三维重建。它们不能达到快速三维重构的要求：极短时间内完成光投射、图像获取和三维坐标计算。对于动态环境或者运动视觉系统的快速三维获取，则有很高的要求：必须是一次性光投射和一次性图像获取以及快速的二维到三维的计算。

(三)发明内容

为了克服已有的结构光实现方法及装置三维感知速度慢、重构效率低、使用成本高的不足，本发明提供一种三维感知数据快、重构效率高的基于领域唯一性的高效结构光的实现方法及其装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该方法为在光投影器件中形成高效结构光以用于三维重建，包括以下步骤：

(1)、选择不同的颜色集合：P＝{c1，c2，c3，...ci，...}，i≥3，其中ci表示一种特定波长的光波或者颜色，一种颜色形成一个光格；

(2)、从所述的颜色集合中选出元素，并进行特定的编码组合产生光模板，相邻光格组成编码字，所述的编码字的领域具有唯一性；

(3)、将所述的编码字一一对应到光投影器件以输出光束；

(4)、将获取的图像对应到光模板并进行计算得到三维空间坐标。

所述的相邻光格的颜色值具有明显的颜色差距。

所述的光格的领域为n×n的正方形区域，其中7≥n≥2。

所述的编码字为光格领域中部分或者全部光格的组合排列，所述的光模板由计算机编码产生。

所述的计算机编码产生的方法为随机测试法或表格法或数学产生式法。

所述的光投影器件为LCD或者DVD投影机。

一种实现所述的基于领域唯一性的高效结构光的实现方法的装置，包括有：一光投影器件，用以把光模板投射到物体上；一摄像机，用于获取图象；一微处理器，用以形成高效结构光以用于三维重建，所述的微处理器包括有：一颜色集合模块，用以形成颜色集合：P＝{c1，c2，c3，...ci，...}，i≥3，其中ci表示一种特定波长的光波，每一种颜色表示一个光格；一编码模块，用以从所述的颜色集合中选出元素，并进行特定的编码组合产生光模板，相邻光格组成编码字，所述的编码字的领域具有唯一性；一编码字解码模块，用以将所述的编码字一一对应到光投影器件以输出光束；一三维坐标计算模块，用以将所述的图像对应到光模板并计算三维空间坐标。

所述的相邻光格的颜色值具有明显的颜色差距。

所述的光格的领域为n×n的正方形区域，其中7≥n≥2。

所述的编码字为光格领域中部分或者全部光格的组合排列。

所述的光投影器件为LCD或者DVD投影机。

结构光视觉系统是光、机、电结合的高技术产品，综合应用了现代光学、机械、电子、计算机视觉、自动控制、人工智能等高科技技术。通过人工设计或者计算机自动产生领域唯一性光模板，并用光投射器件照射场景。得到的图象将带有投射光编码信息，通过分析图象中的编码字，即可以确定所对应的光格在光投射器件上的源坐标。且由于所产生的光模板具领域唯一性，只需要通过图象局部分析主就可以快速确定。

本发明的有益效果主要表现在：1、投影机由计算机控制产生具有特定结构的编码光，其坐标位置通过数据分析被方便地确定，三维感知速度快；2、采用光模式的领域分析方法可以消除匹配歧义问题，重构效率高；3、三维视觉设备其成本将在6万人民币以下；4、可方便地安装到机器人进行自由操控。

(四)附图说明

图1是利用本发明的基于领域唯一性的高效结构光的实现装置的投影示意图。

图2是一种由四种颜色经过编码形成的光格模板示意图。

图3是把光格模板光投射到场景的示意图。

图4是另一种把模板光投射到场景的示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参见图1，一种基于领域唯一性的高效结构光的实现方法，该方法为在光投影器件1中形成高效结构光以用于三维重建，包括以下步骤：

(1)、选择不同的颜色集合：P＝{c1，c2，c3，...ci，...}，i≥3，其中ci表示一种特定波长的光波或颜色，每一个光格由一种颜色表示；

(2)、从所述的颜色集合中选出元素，并进行特定的编码组合产生光模板，相邻光格组成编码字，所述的编码字的领域具有唯一性；

(3)、将所述的编码字一一对应到光投影器件以输出光束；

(4)、将获得的图像对应到光模板并经过计算得到三维空间坐标。

所述的相邻光格的颜色值具有明显的颜色差距。

所述的光格的领域为n×n的正方形区域，其中7≥n≥2。

所述的编码字为光格领域中部分或者全部光格的组合排列。所述的光模板由计算机编码产生。

所述的计算机编码产生的方法为随机测试法或表格法或数学产生式法。

所述的光投影器件为LCD或者DVD投影机。

参照图1、一种实现所述的基于领域唯一性的高效结构光的实现方法的装置，包括有：一光投影器件1，用以把光模板投射到物体上；一摄像机2，用于获取图象；一微处理器，用以形成高效结构光以用于三维重建，所述的微处理器包括有：一颜色集合模块，用以形成颜色集合：P＝{c1，c2，c3，...ci，...}，i≥3，其中ci表示一种特定波长的光波，每一种颜色表示一个光格；一编码模块，用以从所述的颜色集合中选出元素，并进行特定的编码组合产生光模板，相邻光格组成编码字，所述的编码字的领域具有唯一性；一编码输出模块，用以将所述的编码字一一对应到光投影器件以输出光束；一三维坐标计算模块，用以将获得的图像对应到光模板并计算三维空间坐标。

所述的相邻光格的颜色值具有明显的颜色差距。

所述的光格的领域为n×n的正方形区域，其中7≥n≥2。

所述的编码字为光格领域中部分或者全部光格的组合排列。所述的光投影器件为LCD或者DVD投影机。

参照图2，本发明的结构光编码步骤为：

(1)编码颜色集的选取，对于不同的应用对象可以使用不同的颜色集。表达式为：P＝{c1，c2，c3，...ci，...}，其中ci表示一种特定的颜色或者特定波长的光波，一个4元素的编码颜色集可以选取为：P4＝{(0，0，255)，(255，0，0)，(0，255，0)，(255，255，255)}；

(2)光模板产生式。从颜色集中选出元素进行特定的编码组合，表达式为：c(i，j)＝F(P，i，j)，其中(i，j)为光格在模板上的坐标，F为光模板产生法，P为颜色集，可以生成一个12×12大小的正方形光模板；

(3)字解码过程。从图像字顺到投影坐标的映射，表达式为：(x，y)＝U(S_codeword)，其中S_codeword为图像测得的一个编码字，U为编码字的逆过程，(x，y)为求得的光格坐标；

(4)三维坐标计算式。表达式为：(x，y，z)＝W(u，v，i，j，M_calib)，其中(i，j)为光格在投射机的坐标，(u，v)为图象的坐标，(x，y，z)为世界坐标，M_calib为系统的标定参数。

参照图1、图3、图4，采用编码结构光视觉方法，以非接触的方式直接获取被测对象表面的三维空间信息，用光投射器件1和摄像机2组成视觉感知结构，其中光投射器件1产生结构化编码光照射物体3，而摄像机2用来获取物体的图象。

如果系统是经过事先标定的，即光投射器件1和摄像机2可以用以下的式子与世界坐标系建立关系：

x_c＝P_cX，x_p＝P_pX，

其中x_c和x_p为光投射器件和摄像机上的坐标，X为世界坐标，P_c和P_p为3×4大小的投影关系矩阵，如：

X＝[X_c Y_c Z_c 1]^T，x_c＝[μx_c λy_c  λ]^T。

则在编码结构光系统中，物体上点的三维坐标可以通过解上述方程得到X。

Claims (8)

1.一种基于领域唯一性的高效结构光的实现方法，该方法为在光投影器件中形成高效结构光以用于三维重建，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、选择不同的颜色集合：P＝{c1，c2，c3，...ci，...}，i≥3，其中ci表示一种特定波长的光波或者颜色，一个光格由一种颜色表示；

(2)、从所述的颜色集合中选出元素，并进行特定的编码组合产生光模板，相邻光格组成编码字，所述的相邻光格的颜色值具有明显的颜色差距，所述的编码字的领域具有唯一性；

(3)、将所述的编码字一一对应到光投影器件以输出光束；

(4)、将获取的图像对应到光模板并计算得到三维空间的坐标。

2.如权利要求1所述的一种基于领域唯一性的高效结构光的实现方法，其特征在于：所述的光格的领域为n×n的正方形区域，其中7≥n≥2；所述的编码字为光格领域中部分或者全部光格的组合排列。

3.如权利要求1或2所述的一种基于领域唯一性的高效结构光的实现方法，其特征在于：所述的光模板由计算机编码产生。

4.如权利要求3所述的一种基于领域唯一性的高效结构光的实现方法，其特征在于：所述的计算机编码产生的方法为随机测试法或表格法或数学产生式法。

5.如权利要求4所述的一种基于领域唯一性的高效结构光的实现方法，其特征在于：所述的光投影器件为LCD或者DVD投影机。

6.一种实现如权利要求1所述的基于领域唯一性的高效结构光实现方法的装置，包括有：一光投影器件，用以把光模板投射到物体上；一摄像机，用以获取图象；一微处理器，用以形成高效结构光以用于三维重建，其特征在于：所述的微处理器包括有：一颜色集合模块，用以形成颜色集合：P＝{c1，c2，c3，...ci，...}，i≥3，其中ci表示一种特定波长的光波或者颜色，每一种颜色表示一个光格；一编码模块，用以从所述的颜色集合中选出元素，并进行特定的编码组合产生光模板，相邻光格组成编码字，所述的相邻光格的颜色值具有明显的颜色差距，所述的编码字的领域具有唯一性；一编码字输出模块，用以将所述的编码字一一对应到光投影器件以输出光束；一三维坐标计算模块，用以将获取的图像对应到光模板并计算得到三维空间坐标。

7.如权利要求6所述的一种装置，其特征在于：所述的光格的领域为n×n的正方形区域，其中7≥n≥2；所述的编码字为光格领域中部分或者全部光格的组合排列。

8.如权利要求6或7所述的一种装置，其特征在于：所述的光投影器件为LCD或者DVD投影机。

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