CN104075669A - 一种用于复杂表面编码光测量的容错编解码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于复杂表面编码光测量的容错编解码方法。本发明编码时，设定相移周期长度lp为格雷码周期长度lg的2倍，即；设定相移起始点Op相对于格雷码起始点Og滞后。解码时，利用容错式求得被测点编码空间位置，避免了格雷码值错误对被测点编码空间位置的影响。本发明避免了由于复杂表面干扰导致的图像信息提取误差，从而避免了测量粗大误差、提高了编码光三维测量的抗复杂表面干扰能力。

Description

一种用于复杂表面编码光测量的容错编解码方法
 （一）技术领域 
本发明涉及编码光三维测量领域，尤其涉及该领域中的编解码方法及其抗复杂表面干扰能力。
（二）背景技术 
视觉测量领域的编码光三维测量方法具有测量准确度和测量效率(速度)的综合优势，该方法利用投射器向被测表面投射编码光，利用摄像机拍摄相应图像，结合图像信息和系统参数，计算出被测表面的点云数据。其中，编码光的作用是划分测量空间。
相对于简单表面，复杂表面的颜色多、反射率高、几何斜率大。在编码光测量过程中，复杂表面对编码光产生干扰，因而拍摄的图像信息存在误差，进而导致了测量粗大误差。因此，抗复杂表面干扰能力强的容错编解码方法有利于实现高准确度的三维测量。 
编解码方法主要包括空间编解码法和时间编解码法，其中后者抗干扰能力强。 
时间编解码法中，抗干扰能力强的典型方法有二进制码、多进制码、格雷码、RGB码等，其中格雷码仅利用“黑”、“白”两色编解码，同时具有限定码值误差“仅为1”的特点，因此格雷码的抗干扰能力最强。但格雷码仅能将测量空间划分为若干区域，每个区域对应一个码值，因此分辨率较低。 
时间编解码法中，分辨率高的典型方法有相移法、强度比法、颜色比法等，理论上可实现测量空间的连续划分，即测量空间中的每个被侧点对应一个相位，其中相移法抗干扰能力相对较强。 
综上两点，首先利用格雷码将测量空间划分为若干区域，然后在每个区域内利用相移法进行连续划分。这样，既避免了格雷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。这种编解码方法相对适用于复杂表面的编码光测量。 
目前，格雷码与相移法结合实现三维测量，特点是格雷码周期长度和相移周期长度相等，且格雷码周期边缘与相移周期边缘一一对齐。这种编解码方法的不足之处在于，复杂表面的图像信息提取误差(灰度、颜色的判断误差)可能会导致格雷码值错误和相移相位错误(在周期边缘附近尤为明显)，从而产生测量粗大误差，因此这种编解码方法的抗复杂表面干扰能力仍然需要提高。为了提高抗复杂表面干扰能力，国内外研究者提出了一些周期边缘处的格雷码值和相移相位判别与修正规则，对于某些粗大误差点具有一定效果，但未能利用编解码方法消除粗大误差点，提高抗复杂表面干扰能力，这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格雷码与相移结合三维测量过程中，由复杂表面干扰导致的图像信息提取误差，从而导致测量粗大误差的不足，提供一种能够抗复杂表面干扰的容错编解码方法。
本发明的目的是这样实现的： 
步骤一：
编码时，设定相移周期长度l p为格雷码周期长度l g的2倍，即 ；设定相移起始点Op相对于格雷码起始点Og滞后。如图1所示为部分编码，图中横轴M为被测点的编码空间位置，反映被测点在测量空间中的位置；纵轴表示相移相位、格雷码值； o为编码空间的起始点；图中粗实线表示格雷码，粗虚线表示相移相位。
步骤二： 
解码时，被测点的相移周期序数根据被测点的格雷码值和相移相位由式(1)求得，式中j为格雷码图像总数；G i表示第i幅格雷码图像中被测点的灰度值；I 1、I 2、I 3、I 4表示各幅(共4幅)相移图像中被测点的灰度值。式中[ ]表示取整运算；( )2表示二进制转换；( )10表示十进制转换。式中；，。
        (1) 
被测点的编码空间位置M由式(2)求得
                      (2) 。
 本发明的有益效果有： 
避免了由于复杂表面干扰导致的图像信息提取误差，即避免了格雷码值错误和相移相位错误导致的被测点编码空间位置错误，从而避免了测量粗大误差、提高了编码光三维测量的抗复杂表面干扰能力。
（四）附图说明 
图1为本发明的编码原理图。
图2为格雷码与相移的周期长度\位置关系分析图。 
图3为抗干扰能力分析图。 
（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. 编码依据
图2所示为格雷码与相移的位置关系，图中只显示了格雷码和相移的某部分。若某点A的相移相位真值为，无论格雷码值出错与否，只要(为的实际测量值，即 )，则根据式(1)得到的k p不受影响。在区间内，兼顾相移相位真值的可测范围和容错范围，则取边缘E在处，的可测范围为，容错范围为。
当格雷码起始点和相移起始点相差情况下，抗干扰能力最强，即格雷码只在其周期边缘两侧各的范围内出错、相移相位测量误差小于时，抗干扰能力最强。 
综上，本发明编码时设定；相移起始点Op相对于格雷码起始点Og滞后。 
抗干扰能力分析
以表示A点的相移相位真值、表示A点的相移相位实际测量值(通过图像信息提取得到)；以k gA表示A点的格雷码真值、表示A点的格雷码实际测量值(通过图像信息提取得到)；以k pA表示A点的相移相位周期序数真值、表示A点的相移相位周期序数实际测量值(通过式(1)得到)；以M A表示A点的编码空间位置真值、表示A点的编码空间位置实际测量值(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，讨论格雷码周期边缘附近的误差情况(抗干扰能力)。 
  
(1) 分析附近A点()的编码空间位置误差
若
假设k gA不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。
假设k gA出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。 
若
假设k gA不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。
假设k gA出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。 
  
(2) 分析附近B点()的编码空间位置误差
若
假设k gB不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。
假设k gB出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。 
若      
假设k gB不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。
假设k gB出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。 
  
(3) 分析附近C点()的编码空间位置误差
若      
假设k gC不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。
假设k gC出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。 
若      
假设k gC不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。
假设k gC出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。 
  
(4) 分析附近D点()的编码空间位置误差
若      
假设k gD不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。
假设k gD出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。 
若      
假设k gD不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。
假设k gD出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，被测点的编码空间位置误差等于相移相位误差，被测点的编码空间位置未出现粗大误差。 
综上，在格雷码周期边缘和相移周期边缘附近，最易受复杂表面干扰发生图像信息提取误差，带来被测点的编码空间位置错误。但使用本发明容错编解码方法，格雷码值错误不会带来被测点的编码空间位置错误，从而避免了测量粗大误差。编码空间中的其它点的抗干扰能力同A、B、C、D点。 
实际测量实验
将本发明方法具体实施在一种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，比较采用现有格雷码和相移结合三维测量方法和采用本发明方法的测量结果。 
两种方法的一般测量误差均小于0.8mm；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)，采用现有格雷码和相移结合三维测量方法出现了较多粗大误差(＞＞0.8mm)，而采用本发明方法未出现粗大误差。 

Claims (1)

1.一种能够抗复杂表面干扰的容错编解码方法，其特征在于它包括以下步骤： 
步骤一：
编码时，设定相移周期长度l p为格雷码周期长度l g的2倍，即                                                ；设定相移起始点Op相对于格雷码起始点Og滞后，M为被测点的编码空间位置，为相移相位、格雷码值，o为编码空间的起始点；  
步骤二：
解码时，被测点的相移周期序数根据被测点的格雷码值和相移相位由式(1)求得，式中j为格雷码图像总数；G i表示第i幅格雷码图像中被测点的灰度值；I 1、I 2、I 3、I 4表示4幅相移图像中被测点的灰度值，式中[ ]表示取整运算；( )2表示二进制转换；( )10表示十进制转换，式中；，，
        (1)
被测点的编码空间位置M由式(2)求得
                      (2) 。
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