CN103913130A

CN103913130A - 一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法

Info

Publication number: CN103913130A
Application number: CN201410147154.3A
Authority: CN
Inventors: 于晓洋; 吴海滨; 于双; 孟晓亮; 王北一; 孙晓明
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2034-04-14
Also published as: CN103913130B

Abstract

本发明提供了一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法。本发明将编解码过程转换到归一化空间进行，便于计算；通过归一化因子映射可在测量空间中任意尺度编解码。编码时，设定模拟码周期长度为2，数字码周期长度为1；设定模拟码起始点相对于数字码起始点滞后0.5。解码时，利用容错式求得组合码值，避免了最易出错的数字码值对组合码值的影响。本发明在整个编码空间内，修正了由数字码值错误带来的组合码值错误，从而避免了测量粗大误差；也即，避免了由图像信息提取误差带来的测量粗大误差。

Description

一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法

（一）技术领域

本发明涉及视觉三维测量领域，尤其涉及该领域中的组合编解码方法及其容错方法。

（二）背景技术

视觉三维测量方法主要包括结构光法和双目法两类，两类方法通过编解码过程划分测量空间，目的是提高测量效率(速度)同时保证测量准确度。

编解码方法主要包括空间编解码法和时间编解码法，其中前者测量效率较高，后者测量准确度较高。

时间编解码法主要分为数字码、模拟码、组合码三类。

数字码将测量空间划分为若干区域，每个区域对应一个数字码值，因此数字码分辨率较低、抗干扰能力强。代表性的数字码有二进制码、多进制码、格雷码、RGB码等。

模拟码理论上可实现测量空间的连续划分，测量空间中的每个点对应一个模拟码值，因此模拟码分辨率高，但抗干扰能力弱。代表性的模拟码有相移法、强度比法、颜色比法等。

组合码将数字码与模拟码结合，首先利用数字码将测量空间划分为若干区域，然后在每个区域内利用模拟码进行连续划分。这样，既避免了模拟码跨度过大导致的抗干扰能力弱，又实现了测量空间的连续划分。组合编解码的具体过程为，利用投射器依时序向测量空间投射数字码和模拟码，利用摄像机拍摄相应的多幅图像。以测量空间中某点为例，根据该点的图像信息，确定该点的数字码值k即可确定其所在的区域k；确定该点的模拟码值即可确定其在区域k内的具体位置；最后，利用组合码值即可确定该点在测量空间中的位置，式中为数字码周期长度。

近年来，国内外研究者提出多种组合码，它们的基本特点为，编码时数字码周期长度和模拟码周期长度相等，且数字码起始点和模拟码起始点相同(即各个数字码周期边缘与模拟码周期边缘一一对齐)；它们的不足之处在于，解码时，图像信息提取误差(灰度、颜色的判断误差)可能会导致数字码值k错误(在周期边缘附近尤为明显)，从而导致组合码值错误，最终产生测量粗大误差(约为的整数倍)，而由产生的误差远小于由k产生的误差。为了避免测量粗大误差，国内外研究者提出了一些周期边缘处的码值判别与修正规则，对于某些粗大误差点具有一定效果；但未系统地分析编解码方法与码值错误的关系，未建立该关系的数学模型，未在整个编码空间(对应整个测量空间)利用编解码方法消除粗大误差点，而这正是本发明致力解决的问题。

（三）发明内容

本发明的目的在于克服视觉三维测量组合编解码过程中，由图像信息提取误差带来组合码值错误，从而导致测量粗大误差的不足，提供一种能够避免组合码值错误的容错方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：

将编解码过程转换到归一化空间进行，归一化因子设为

式中t _m为模拟码周期的物理长度；t _s为数字码周期的物理长度。

则归一化空间中的模拟码周期长度，数字码周期长度。

步骤二：

编码时，设定；设定模拟码起始点O_m相对于数字码起始点O_s滞后。如图1所示为部分编码，图中横轴为组合码值，反映被测点在编码空间中的位置；纵轴表示模拟码值、数字码值；o为组合编码的起始点；图中粗实线表示数字码，粗虚线表示模拟码。

步骤三：

解码时，被测点所在的模拟码周期序数k _m(k _m=0, 1, 2, 3……n)根据被测点的数字码值k _s和模拟码值由式(1)求得，式中fix为向下取整函数。

(1)

组合码值由式(2)求得

(2)

本发明的有益效果有：

1. 在整个编码空间内，修正了由数字码值错误带来的组合码值错误，从而避免了测量粗大误差；也即，避免了由图像信息提取误差带来的测量粗大误差。

2. 组合码值由式求得，避免了最易出错的数字码值k _s对组合码值的影响。

3. 将编解码过程转换到归一化空间进行，归一化空间中的模拟码周期长度、数字码周期长度可设定为整数，便于计算；通过归一化因子将、映射为模拟码周期的物理长度t _m、数字码周期的物理长度t _s，改变可在测量空间中任意尺度编解码。

（四）附图说明

图1为本发明的编码原理图。

图2为数字码与模拟码的周期长度\位置关系分析图。

图3为容错能力分析图。

（五）具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

1. 解码公式推导

图1中，不失一般性，任意点P的组合码值可由数字码或模拟码表示为

(3)

(4)

式(3)中，表示P在某个数字码周期内的实际位置，无法求得，后面将略去。

联立式(3)和式(4)得到

(5)

将(该关系为编码时设定)代入式(5)，整理得到

(6)

将和分别分解为整数部分与小数部分之和，即，，式中[]表示整数部分、{}表示小数部分。整理式(6)得到

(7)

式(7)中，、，则，以下分两种情况讨论：

情况一，当时，式(7)两边同时加上并进行向下取整运算得到

(8)

式(8)左侧，由于，则；式(8)右侧，由于、均为正整数，则对取整运算结果无影响，可舍去。则得到

(9)

情况二，当时，式(7)两边同时进行向下取整运算仍得到式(9)。

综合情况一和情况二，得到k _m的一般表达式

(10)

若编码时设定，则式(10)简化后得到发明内容步骤三中的式(1)。

2. 编码依据

若数字码和模拟码的周期长度相等、周期边缘一一对齐，则(k _m由k _s确定)，根据，则数字码值k _s错误导致组合码值错误，产生整数倍的粗大误差。因此，该编解码方法不具有容错能力。

为了使编解码方法具有容错能力：

第一，本发明设定数字码和模拟码的周期长度不相等，且。不失一般性，归一化空间中与相差1，则测量空间中二者可相差任意值(通过映射)。

第二，本发明设定模拟码起始点相对于数字码起始点滞后，则任意数字码和模拟码周期边缘不对齐。

图2所示为数字码与模拟码的位置关系，图中只显示了数字码和模拟码的某部分。若某点A的模拟码真值为 ()，无论数字码值出错与否，只要(为的实际测量值，即)，则根据式(10)得到的k _m不受影响。在区间[m, m+1)内，兼顾模拟码真值的可测范围和容错范围，则取边缘E在m+0.5处，的可测范围为[m+0.25, m+0.75)，容错范围为。

如前所述，当=m+0.5的情况下，容错能力最强，即数字码只在其周期边缘两侧各0.25的范围内出错、模拟码测量误差小于时，容错能力最强。显然，数字码容错范围为、模拟码容错范围为，则和越大越好，亦即和越小越好。又因为和为正整数，，则选择、，可使容错范围最大，同时。

综上，本发明编码时设定，、、。

容错能力(具体误差)分析

以表示A点的模拟码真值、表示A点的模拟码实际测量值(通过图像信息提取得到)；以k _sA表示A点的数字码真值、表示A点的数字码实际测量值(通过图像信息提取得到)；以k _mA表示A点的模拟码周期序数真值、表示A点的模拟码周期序数实际测量值(通过式(1)得到)；以表示A点的组合码真值、表示A点的组合码实际测量值(通过式(2)得到)。

B、C、D点的符号设定与A点相似。

以下以图3中A、B、C、D点为例，讨论数字码周期边缘附近的误差情况(容错能力)。

分析0.5附近A点()的组合码值误差

若

假设k _sA不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。

假设k _sA出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。

若

分析0.5附近B点()的组合码值误差

若

假设k _sB不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。

假设k _sB出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。

若

分析1.5附近C点()的组合码值误差

若

假设k _sC不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。

假设k _sC出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。

若

(4) 分析1.5附近D点()的组合码值误差

若

假设k _sD不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。

假设k _sD出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。

若

综上，在数字码周期边缘附近，最易发生图像信息提取误差，带来数字码值错误。但使用本发明容错方法，数字码值错误不会带来组合码值错误，从而避免了测量粗大误差。编码空间中的其它点容错能力同A、B、C、D点。

容错方法实际测量实验

将本发明方法具体实施在一种视觉三维测量系统——编码光三维测量系统中，系统包括一个Infocus82 3DLP投影机和一个HV-F22F 3CCD摄像机，采用计算机完成编码光三维测量系统控制和数据运算。

根据本发明方法编码，利用投影机将编码图案投射在被测表面；利用摄像机拍摄编码图像，并进行图像信息提取，从而完成解码。

针对复杂表面测量，比较采用现有方法编解码和采用本发明容错方法编解码的测量结果。

两种方法的一般测量误差均小于1mm；但对于颜色变化、斜率变化、反射率变化剧烈的表面(图像信息提取误差较大)，采用现有方法编解码出现了较多粗大误差(1mm)，而采用本发明容错方法编解码未出现粗大误差。

Claims

1.一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法，其特征在于它通过以下步骤实现：

步骤一：

将编解码过程转换到归一化空间进行，归一化因子设为

式中t _m为模拟码周期的物理长度；t _s为数字码周期的物理长度；

则归一化空间中的模拟码周期长度，数字码周期长度；

步骤二：

编码时，设定；设定模拟码起始点O_m相对于数字码起始点O_s滞后；为组合码值，模拟码值，数字码值；

步骤三：

解码时，被测点所在的模拟码周期序数k _m(k _m=0, 1, 2, 3……n)根据被测点的数字码值k _s和模拟码值由式(1)求得，式中fix为向下取整函数：

(1)

组合码值由式(2)求得

(2)。