CN101324425B - 基于分层的彩色条纹编码方法 - Google Patents

基于分层的彩色条纹编码方法 Download PDF

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Abstract

一种基于分层的彩色条纹编码方法,由于受到彩色分割精度的影响,彩色条纹大于16个像素才能得到比较精确的分割效果,从而无法把空间分成更多的区域,所以选择把图像分成多个层次,就可以把图像分成更多的区域,可以提高测量精度;选择彩色条纹颜色及数目,选用八种纯色,以提高颜色区分度和扩大测量范围;奇数层条纹的设置采用环形排列方法可以有效的降低解码难度,偶数层采用相邻最大色差的第一及第二固定序列条纹,得到了序列周期唯一的彩色条纹编码。用此彩色条纹编码设计投影光栅,编码方法编程简单,其分层的思想在不用细化条纹的前提下把物体分成多个区域,提高了测量精度。提高了三维扫描系统中相位法的实时性和动态测量性能。

Description

基于分层的彩色条纹编码方法
技术领域
本发明属于三维信息重构的技术领域,尤其一种基于分层的彩色条纹编码方法。
背景技术
随着社会的发展和人们生活水平的提高,彩色图像出现的越来越多,而计算机技术和处理速度的飞速发展也能够满足处理更为复杂的彩色图像的需要,使彩色图像的处理变成可能。三维测量技术采用彩色图像处理的方式不仅能重构出彩色的三维信息,而且由于彩色图像比黑白图像包含更多的信息,测量的精度也会因此提高;同时彩色条纹编码的光栅包含丰富的信息,可以减少采集图像的数量,更适合动态的三维测量,提高相位法的实时性。
三维轮廓检测及其重构技术是计算机图像处理技术的一个分支,是计算机视觉和计算机图形图像处理相结合的一个研究方向,它在生产自动化、机器人视觉、CAD、虚拟现实和医学映像诊断等领域都有着广泛的应用前景。
光栅投影法是实物逆向工程技术中的一种,具有检测过程完全非接触、数据空间分辨率高、一次性瞬间投影直接实现三维空间物体形状检测和获取三维信息的特点。在实际应用中具有对环境要求低、成本低廉、使用操作方便等多种优点。
早期的三维轮廓检测及其重构技术由于受到计算机处理速度的限制,人们刚开始都是针对灰度图像进行处理的,现今十分成熟的分割算法大多也是针对单色图像的分割,即从单色图像中提取出感兴趣的目标。当灰度图像有变化灰度的背景或本身有较大灰度范围的区域时,进行视觉图像的分割会非常困难。这是因为对于单色图像的分割来说明亮度是惟一的可用信息,故这种问题是灰度图像本身固有的。
但是,由于灰度光栅条纹图经过阈值分割后是黑白二值的光栅条纹,需要设计7幅逐步二分的投影光栅图,才能唯一确定绝对相位,进而进行相位展开,非常不利于动态测量。而彩色投影光栅图包含更丰富的信息,可以减少采集图像的数量,理论上,利用一幅图像就能唯一确定绝对相位,进行相位展开,更适合动态的三维测量,提高相位法的实时性。
但是彩色图像由于颜色种类比较多,分割精度无法达到黑白图像的精度,为了确保彩色分割的精度,彩色条纹的宽度一般为16个像素以上,所以采用彩色编码存在精度不高的问题。
设计彩色投影光栅图主要有四个方面的问题:一、应尽量减少图像中颜色的种类,图像中颜色越多,对后期彩色图像分割越不利,并且各颜色之间的区分度也直接影响着彩色分割的精度。二、在使用相同颜色的前提下,尽量把物体分成多个区域,以提高精度。同时,为了扩大测量范围,应使唯一的条纹序列周期尽量大。三、由于条纹宽度低于16个像素的彩色条纹的分割效果不好,所以在横向不能在细化条纹,但是宽度为16个像素的彩色条纹还是无法满足测量精度的要求,为了提高精度可以在纵向把条纹分成多层。四、为了唯一确定绝对相位,需要设计唯一的条纹序列,即彩色条纹编码问题。
在实现彩色条纹编码时,需要考虑以下问题:
1)由于太窄的彩色条纹进行投影采集时会变得模糊,会加大找条纹的难度;而太宽又会造成高度信息呈阶梯状分布,影响测量精度。根据实验经验,选取条纹宽度为16个像素,这样既能使光栅投影清楚,又能有效的保存物体高度调制的变形光栅信息。
2)如果条纹宽度少于16个像素会加大彩色条纹分割的困难,降低彩色分割的精度,要想在不降低彩色分割精度同时提高测量精度可以采用分层您的思想,把纵向空间划分成更多的区域。
3)编码组合序列必须唯一,这样才能准确确定彩色条纹所在的周期,进而进行相位展开。
4)解码序列应该尽可能的短,才能减少由于条纹缺失造成的解码误差。
发明内容
针对现有技术所存在的缺点和限制,本发明的目的在于提供一种能够提高测量精度和动态测量性能的三维扫描系统中基于分层的彩色条纹编码方法。
本发明设计一种基于分层的彩色条纹编码方法,此方法借助彩色图像包含更多的信息,减少了采集图像的数量;首先由于彩色条纹边界容易模糊,所以要设计一副与彩色条纹同等宽度黑白相间条纹投射到物体表面,以便提取高精度变形条纹边界,从而计算得到各个条纹中心线,用于后续解码;接着选择要分的层数,由于层数的增加会加大彩色分割的难度,所以在此实验中选择分为五层,每层的宽度相同,图像从上到下分别为第一层,,第三层,,第五层,然后一三五奇数层采用环形排列的编码方法生成彩色条纹,第二层和第四层分别采用第一固定序列和第二固定序列的彩色条纹;选择彩色条纹颜色及数目,选用八种纯色,以提高颜色区分度和扩大测量范围;接着对各层的红色分量,绿色分量和蓝色分量进行设置,得到了唯一的彩色条纹编码。
本发明采用如下技术方案:
1.一种基于分层的彩色条纹编码方法
步骤1:在设计彩色条纹编码时,采用对24位真彩图像三个分量R、G、B分别赋值实现,24位真彩图像的R、G、B分量分别是8位,每个R、G、B分量有256个灰阶,每个分量的灰阶取值为0或255,并将灰阶255设为1,灰阶0设为0,这样R、G、B分量的取值分别为0或1,这三个分量有8种组合且分别代表八种纯色:黑色为000、蓝色为001、绿色为010、青色为011、红色为100、品色为101、黄色为110、白色为111,
步骤2:分层的实现:把整幅图像从上到下,在纵向上平均的分为五层,从上到下分别为称为第一层,第二层,第三层,第四层,第五层,
步骤3:分层彩色条纹的编码:用环形排列方法得到呈环形排列的彩色条纹,选择用环形排列方法得到的第一和第五个环形排列周期的彩色条纹顺序排列在第一层,选择第四和第六个环形排列周期的彩色条纹顺序排列在第三层,选择第二和第三个环形排列周期顺序排列在第五层。第二层及第四层分别采用第一固定序列的彩色条纹及第二固定序列的彩色条纹,所述的第一固定序列的彩色条纹由4个相同且串接的第一排列周期的彩色条纹构成,所述的第二固定序列的彩色条纹由4个相同且串接的第二排列周期的彩色条纹构成,选择第一或第二排列周期的彩色条纹的原则为相邻两个条纹的红色分量、绿色分量和蓝色分量中至少有两个分量不同,连续的三个条纹必须有两个条纹的红色分量、绿色分量和蓝色分量均不同,即互为补色,不会与奇数层的彩色条纹序列发生重合,存在比较大的色差,利于后续分割;第一排列周期的彩色条纹里的任意连续的三个彩色条纹的排列顺序与第二排列周期的彩色条纹里的任意连续的三个彩色条纹的排列顺序不同。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
我们设计的一种基于分层的彩色条纹编码方法,此方法借助彩色图像包含更多的信息,减少采集图像的数量;由于受到彩色分割精度的影响,彩色条纹大于16个像素才能得到比较精确的分割效果,从而无法把空间分成更多的区域,所以选择把图像分成多个层次,就可以把图像分成更多的区域,可以提高测量精度;选择彩色条纹颜色及数目,选用八种纯色,以提高颜色区分度和扩大测量范围;奇数层条纹的设置采用环形排列方法可以有效的降低解码难度,偶数层采用相邻最大色差的的固定序列条纹,得到了序列周期唯一的彩色条纹编码,同时采用最大色差的组合也可以提高分割精度。如果物体表面有断层出现了条纹缺失现象,也可以根据偶数层的固定序列和奇数层的排列准则快速判断出缺失的条纹的编码值,避免造成条纹错级现象。用此彩色条纹编码设计投影光栅,编码方法编程简单,其分层的思想在不用细化条纹的前提下把物体分成多个区域,大大提高了测量精度。进行三维扫描系统中后续的相位展开只需要验证相邻的两条条纹及其上方条纹的颜色就能定位条纹的绝对相位,加快了图像处理速度,提高了三维扫描系统中相位法的实时性和动态测量性能。
附图说明
图1是基于分层的彩色条纹编码方法流程图。
图2是环形示意图。
图3是环形排列法得到前两组序列周期示意图。
图4是环形排列法得到GB分量编码序列图。
图5是第一固定序列排列示意图。
图6是第二固定序列排列示意图。
图7是整幅图像的彩色条纹排列示意图。
具体实施方式
1.一种基于分层的彩色条纹编码方法:
步骤1:在设计彩色条纹编码时,采用对24位真彩图像三个分量R、G、B分别赋值实现,24位真彩图像的R、G、B分量分别是8位,每个R、G、B分量有256个灰阶,每个分量的灰阶取值为0或255,并将灰阶255设为1,灰阶0设为0,这样R、G、B分量的取值分别为0或1,这三个分量有8种组合且分别代表八种纯色:黑色为000、蓝色为001、绿色为010、青色为011、红色为100、品色为101、黄色为110、白色为111,
步骤2:分层的实现:把整幅图像从上到下,在纵向上平均的分为五层,从上到下分别为称为第一层,第二层,第三层,第四层,第五层,
步骤3:分层彩色条纹的编码:用环形排列方法得到呈环形排列的彩色条纹,选择用环形排列方法得到的第一和第五个环形排列周期的彩色条纹顺序排列在第一层,选择第四和第六个环形排列周期的彩色条纹顺序排列在第三层,选择第二和第三个环形排列周期顺序排列在第五层。第二层及第四层分别采用第一固定序列的彩色条纹及第二固定序列的彩色条纹,所述的第一固定序列的彩色条纹由4个相同且串接的第一排列周期的彩色条纹构成,所述的第二固定序列的彩色条纹由4个相同且串接的第二排列周期的彩色条纹构成,选择第一或第二排列周期的彩色条纹的原则为相邻两个条纹的红色分量、绿色分量和蓝色分量中至少有两个分量不同,连续的三个条纹必须有两个条纹的红色分量、绿色分量和蓝色分量均不同,即互为补色,不会与奇数层的彩色条纹序列发生重合,存在比较大的色差,利于后续分割;第一排列周期的彩色条纹里的任意连续的三个彩色条纹的排列顺序与第二排列周期的彩色条纹里的任意连续的三个彩色条纹的排列顺序不同。
下面结合附图示对本发明的具体实施方式作进一步描述。根据上述方法,在Windows操作系统中通过VC++6.0平台用C++编程实现了基于分层的彩色编码的操作。
针对由于受到彩色条纹分割效果限制,彩色条纹的宽度一般为16个像素以上,彩色编码精度不高的问题,我们提出了基于分层的彩色编码方法,提高了测量精度。
首先我们先考虑彩色投影光栅图存在的主要有四个方面的问题:一、应尽量减少图像中颜色的种类,图像中颜色越多,对后期彩色图像分割越不利,并且各颜色之间的区分度也直接影响着彩色分割的精度。二、在使用相同颜色的前提下,尽量把物体分成多个区域,以提高精度。同时,为了扩大测量范围,应使唯一的条纹序列周期尽量大。三、由于条纹宽度低于16个像素的彩色条纹的分割效果不好,所以在横向不能在细化条纹,但是宽度为16个像素的彩色条纹还是无法满足测量精度的要求,为了提高精度可以在纵向把条纹分成多层。四、为了唯一确定绝对相位,需要设计唯一的条纹序列,即彩色条纹编码问题。
本发明流程图如图1所示,具体实现步骤如下:
步骤1:设计一幅与彩色条纹同等宽度黑白相间条纹:在本实验中选择条纹宽度为16个像素,在设计黑白条纹时,整幅条纹图只采用黑白两色,并且黑白条纹的条纹宽度也为16个像素,
步骤2:在设计彩色条纹编码时,采用对24位真彩图像三个分量R、G、B分别赋值实现,24位真彩图像的R、G、B分量分别是8位,有256个灰阶,把每个分量只取0和255两个值,并将灰阶255时为1,灰阶0时为0,这样R、G、B分量的取值分别为0或1,这三个分量有8种组合且分别代表八种纯色:黑色为000、蓝色为001、绿色为010、青色为011、红色为100、品色为101、黄色为110、白色为111,
步骤3:分层的实现:把整幅图像从上到下,在纵向上平均的分为五层,从上到下分别为称为第一层,第二层,第三层,第四层,第五层,
步骤4:根据现有已知的环形排列方法得到环形排列周期,
步骤4.1:设置所有条纹的红色分量:红色分量取值按照一个条纹周期像素为0,一个条纹周期像素为1交替分布,
步骤4.2:对条纹的绿色分量和蓝色分量进行设置:绿色分量和蓝色分量的二进制组合状态为:00、01、10或11,对4种绿色分量和蓝色分量的二进制组合状态进行全排列,并将每个排列作为一个序列周期,得到24个序列周期,且序列周期的宽度是条纹像素数的4倍,该序列周期的宽度为16×4=64,其中,16为每条条纹的像素数,
步骤4.3:用环形排列的方法设计第一环形排列周期:将GB分量的二进制组合状态00、01、10或11,转换为十进制数组合状态0、1、2或3,
从24个序列周期中,选择4个序列周期,构成第一环形排列周期,该选择方法为:从24个序列周期中任意选取一种序列周期,然后让该序列周期的四个组合状态首尾相连,构成环状如图2所示,接着,采用顺时针或逆时针环形取值的方式对彩色条纹进行编码,该环形取值方法是:先选序列周期的第一个组合状态为起始值,作为第一序列周期的第一个条纹的GB值,然后沿顺时针或逆时针方向取下一个数字为第一序列周期的第二个条纹的GB值,依此类推,直到取得第四个数字为第一序列周期的第四个条纹的GB值为止,得到第一序列周期;然后,再以第一序列周期的第二个条纹的GB值为起始值,沿顺时针或逆时针方向依次取四个数字,作为第二序列周期的四个条纹的GB值,得到第二序列周期;依此类推,以第一序列周期的第三个条纹的GB值为起始,得到第三序列周期,以第一序列周期的第四个条纹的GB值为起始,得到第四序列周期,得到了第一环形排列周期,
步骤4.4:设计第二环形排列周期:从剩余的序列周期中,选择4个序列周期,构成第二环形排列周期,该第二环形排列周期选择方法为:从剩余的序列周期中先选取一个序列周期且该序列周期满足:该序列周期的第一个组合状态与上一环形排列周期的第四序列周期的第四个条纹的GB值相同,
然后让该序列周期的四个组合状态首尾相连,构成环状,接着,采用顺时针或逆时针环形取值的方式对彩色条纹进行编码,环形取值方法与步骤4.3中的相同,得到第二环形排列周期,
步骤6:设计其他环形排列周期:再从上一环形排列周期选择后剩余的序列周期中,选择4个序列周期,构成当前环形排列周期,使用步骤5中的第二环形排列周期选择方法,先选取一个序列周期,然后让该首先选出的序列周期的四个组合状态首尾相连,构成环状,接着,采用顺时针或逆时针环形取值的方式对彩色条纹进行编码,用步骤4.3中环形取值方法依次得到第一到第四序列周期,得到第三环形排列周期,依此类推,直到得到第六环形排列周期为止,最终得到序列周期唯一的彩色条纹编码。得到的所有的环形排列周期如图4所示,
步骤5:用环形排列方法得到呈环形排列的彩色条纹,选择用环形排列方法得到的第一和第五个环形排列周期的彩色条纹顺序排列在第一层,选择第四和第六个环形排列周期的彩色条纹顺序排列在第三层,选择第二和第三个环形排列周期顺序排列在第五层。
步骤6:第二层及第四层分别采用第一固定序列的彩色条纹及第二固定序列的彩色条纹,所述的第一固定序列的彩色条纹由4个相同且串接的第一排列周期的彩色条纹构成,所述的第二固定序列的彩色条纹由4个相同且串接的第二排列周期的彩色条纹构成,选择第一或第二排列周期的彩色条纹的原则为相邻两个条纹的红色分量、绿色分量和蓝色分量中至少有两个分量不同,连续的三个条纹必须有两个条纹的红色分量、绿色分量和蓝色分量均不同,即互为补色,不会与奇数层的彩色条纹序列发生重合,存在比较大的色差,利于后续分割;第一排列周期的彩色条纹里的任意连续的三个彩色条纹的排列顺序与第二排列周期的彩色条纹里的任意连续的三个彩色条纹的排列顺序不同。

Claims (1)

1.一种三维扫描系统中的基于分层的彩色条纹编码的方法,其特征在于:
步骤1:在设计彩色条纹编码时,采用对24位真彩图像三个分量R、G、B分别赋值实现,24位真彩图像的R、G、B分量分别是8位,每个R、G、B分量有256个灰阶,每个分量的灰阶取值为0或255,并将灰阶255设为1,灰阶0设为0,这样R、G、B分量的取值分别为0或1,这三个分量有8种组合且分别代表八种纯色:黑色为000、蓝色为001、绿色为010、青色为011、红色为100、品色为101、黄色为110、白色为111,
步骤2:分层的实现:把整幅图像从上到下,在纵向上平均的分为五层,从上到下分别为称为第一层,第二层,第三层,第四层,第五层,
步骤3:分层彩色条纹的编码:用环形排列方法得到呈环形排列的彩色条纹,选择用环形排列方法得到的第一和第五个环形排列周期的彩色条纹顺序排列在第一层,选择第四和第六个环形排列周期的彩色条纹顺序排列在第三层,选择第二和第三个环形排列周期顺序排列在第五层;第二层及第四层分别采用第一固定序列的彩色条纹及第二固定序列的彩色条纹,所述的第一固定序列的彩色条纹由4个相同且串接的第一排列周期的彩色条纹构成,所述的第二固定序列的彩色条纹由4个相同且串接的第二排列周期的彩色条纹构成,选择第一或第二排列周期的彩色条纹的原则为相邻两个条纹的红色分量、绿色分量和蓝色分量中至少有两个分量不同,连续的三个条纹必须有两个条纹的红色分量、绿色分量和蓝色分量均不同,即互为补色,不会与奇数层的彩色条纹序列发生重合,存在比较大的色差,利于后续分割;第一排列周期的彩色条纹里的任意连续的三个彩色条纹的排列顺序与第二排列周期的彩色条纹里的任意连续的三个彩色条纹的排列顺序不同。 
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