CN104567730A - 一种时空二元编码产生正弦结构光场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是三维传感技术中用时空二元编码产生正弦结构光的方法，它将计算机产生的标准正弦条纹图1按照灰度分布等分为2<i>n</i>（<i>n</i>≥2）个区间，然后对每个区间采用二维误差扩散进行时间和空间编码得到2、3、4、…、5共2<i>n</i>（<i>n</i>≥2）个二值条纹图；将这一序列的二值条纹图投影并经成像系统采集后线性叠加得到高质量的正弦条纹6。投影的一系列二值条纹图不受数字投影仪非线性响应的影响同时充分利用了数字投影仪高速二元图形切换功能，提高了三维面形测量的速度和精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学三维传感技术中产生正弦结构光场的方法，特别涉及一种时空二元编码产生正弦结构光场的方法。
背景技术
光学三维传感技术具有非接触、测量速度快、系统柔性好、精度高、数据易于自动处理等显著优点，在虚拟现实、影视特技、生物医学、工业产品的外观设计、艺术雕塑和文物保护等方面具有广泛的应用前景。
根据三维面形对结构光调制的方式不同分为时间调制和空间调制两大类。飞行时间法对传感器的时间分辨率要求极高，只适合长距离测量。空间调制先后采用点、线、面结构光照明的方式获取受物体调制的结构光场。采用面结构光照明由于具备更高的测量效率成为目前的研究热点，主要包括基于三角原理的相位测量轮廓术、傅里叶变换轮廓术（窗口傅里叶变换轮廓术）、S变换轮廓术、小波变换轮廓术、相位偏折术以及采用垂直测量原理的调制度测量轮廓术等。它们的共同特点是投影正弦结构光场，然后获取受物体调制的变形条纹，通过分析条纹的相位、强度、对比度或者调制度等参数得到物体的三维数据。然而，无论从变形条纹提取何种参数重建三维面形，结构光场的正弦性都是决定测量精度的首要因素。
商用数字投影仪产生结构光近年来被广泛应用于光学三维传感技术。其显著优点是可实现零误差相移；可根据需要任意改变条纹周期，等等，灵活性大大提高。然而，商用数字投影仪在测量中也存在非线性，破坏了条纹的正弦性以及有限帧频（例如，普通商用数字投影仪灰度图像的切换频率为120Hz）限制多帧灰度正弦条纹的切换等问题，阻碍了其在高速高精度测量领域的应用。采用二值条纹代替连续灰阶的标准正弦条纹产生正弦结构光场，可以充分利用数字投影仪固有的二元图形高帧频切换功能实现高速测量。目前的脉冲宽度调制技术，编码均是在一维尺度，对于条纹周期太小或者太大的场合并不同时有效。借鉴数字半色调技术的抖动技术，包括误差扩散编码技术，在一维或二维尺度基于强度进行简单编码，在条纹周期较大时，相对于方波光栅（亦称罗奇光栅）可以显著提高精度，但对于条纹周期较小的情况误差仍然较大。在相位或者强度域通过大量迭代的一些优化算法，一定程度上改善了测量精度，但优化极为耗时，灵活性较差。现有的方法大多属于空间编码的范畴，即在一幅图像内进行编码。
发明内容
本发明是针对现有的结构光编码存在的不足：适用范围有限以及编码灵活性差等，发明一种新的时空二元编码产生正弦结构光场的方法。该方法将标准的正弦条纹图同时进行二维时间和空间编码得到2 n （n≥2）幅二值条纹图，利用数字投影仪投影并实时采集进行线性叠加得到与标准正弦条纹相同结构特征的高质量正弦条纹。由于利用了数字投影仪固有的高速二元图形切换功能，且不受非线性影响，具备实现高速高精度的三维面形测量的优势。
本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：
产生正弦结构光场的时空二元编码方法，将计算机预先产生的一幅标准正弦条纹图按照灰度分布等分为2 n （n≥2）个区间（共2 n +1（n≥2）种灰度状态），分别对每个区间在时间域和空间域采用二维误差扩散进行编码得到共2 n （n≥2）幅二值条纹图；利用数字投影仪固有的二元图形高速切换功能将一序列二值条纹图依次投影并经成像系统采集后线性叠加得到高质量的正弦结构条纹，以提高基于正弦结构光三维面形测量技术的速度和精度。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1.本发明的时空二元编码产生结构光场的方法，除了具备空间域采用的误差扩散编码高精度的优点以外，还将量化误差进行时间域扩散，得到的正弦结构条纹具有更高的正弦性。
2.本发明的时空二元编码产生结构光场的方法分解得到的2 n （n≥2）个二值条纹图只有0-1两种状态，不受数字投影仪非线性影响，同时可以充分利用数字投影仪固有的高速二元图形切换功能实现高速高精度三维面形测量。
3.本发明的时空二元编码产生结构光场的方法编码方法效率高，无需大量迭代，可以根据实际需要灵活改变标准正弦条纹的大小和周期，满足不同测量需求。
4.本发明适用范围广，满足所有基于正弦结构光数字投影的三维面形测量技术，如相位测量轮廓术、空间相位检测技术及傅里叶变换轮廓术等。
附图说明
图1本发明情况下时空二元编码流程图。
图2本发明情况下采用的二维误差扩散示意图。
图3本发明情况下相位测量轮廓术原理图。
图4本发明情况下将一幅标准正弦条纹图分解为4幅二值条纹图实例。
图5本发明情况下将一幅标准正弦条纹图分解为4幅二值条纹图的编码查找表。
具体实施方式
下面结合附图、工作原理及实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明提出的一种时空二元编码主要包括标准条纹灰度均分、阈值量化、误差扩散和编码四个部分。其中阈值量化、误差扩散和编码三个部分紧密关联。
附图1中1是计算机产生的一幅标准正弦条纹图，其数学形式为
(1)
其中f 0 表示标准正弦条纹的频率，与周期p 互为倒数关系。
根据公式（1），计算机产生的标准正弦条纹1灰度分布范围为0~1，本发明提出的一种时空二元编码方法根据标准正弦条纹的灰度分布，将其均分为2 n （n≥2）个的强度区间[(k-1)/2 n , k/2 n ) (k=1,2,3,…, 2 n )，产生共（2 n +1）（n≥2）种灰度状态，对应分解为附图1中2、3、4、…、5共2 n （n≥2）幅二值条纹图（仅给出了边框示意，下文将以实例进一步说明）。对于均分的每一个灰度区间[(k-1)/2 n , k/2 n ) (k=1,2,3,…, 2 n )，对应的量化阈值为(k-1)/2 n + k/2 n =(2k-1)/2 n-1(k=1,2,3,…, 2 n )。
对于第k个灰度区间，任意一个元素,误差扩散后得到的修正值是为该强度区间第（i, j）个元素的扩散误差，它们之间的关系为
(2)
其中：
公式(3)和(4)中表示阈值函数。
结合公式（4），编码过程中如果修正后的灰度值大于量化阈值(2k-1)/2 n-1，对应第k个二值条纹图像的当前元素灰度值为b k (i,j)=1否则为0，余下2 n -1幅二值条纹中任意选取k-1幅二值条纹的当前元素的灰度值为1，其余为0。同时量化误差根据公式（3）式得到并依据公式（2）进行扩散。对于公式（2），d(m,n)表示采用的误差扩散权重矩阵，对于已处理的元素d(m,n)=0，未处理的元素d(m,n)≠0，Ω代表由d(m,n)≠0的元素组成的扩散区域。附图2表明了扩散误差原理：表示已处理过的元素，表示未处理过的元素。每一个元素二元编码化后的量化误差向它相邻的未处理的领域扩散。附图1中6是合成的一幅正弦条纹图，实际应用中可以是将附图1中2、3、4、…、5共2 n （n≥2）幅二值条纹图经数字投影仪分别投影然后经成像系统获取再线性叠加得到，也可以经数字投影仪连续投影，成像系统一次同时获取2 n （n≥2）幅二值条纹图，即成像系统获取一幅图像的时间与数字投影仪投影2 n （n≥2）幅二值条纹图的时间相同，这时成像系统的帧频可以是投影仪帧频的1/2 n （n≥2）。
下面给出了本发明中时空二元编码产生正弦结构光场应用在相位测量轮廓术（PMP）中的一个实施例，但本发明不限于实施例中所涉及的内容。
相位测量轮廓术的原理如图3所示。当计算机1产生的周期为p的正弦条纹被数字投影仪2投影到置于参考平面4上的物体表面3，成像系统5接收到的变形条纹可以表示为:
式中表示背景灰度，是条纹对比度。相位函数包含了物体表面3高度的信息。通过投射N幅正弦条纹（N>2），每次相移1/N个条纹周期，能够独立于和用离散相移算法解出：
由公式(6)计算出的位相分布，由于反三角运算的性质而被截断在其主值范围内。为了获取物体的高度分布，必须进行位相展开，得到连续的相位分布。然后通过适当的相位-高度映射算法就可以得到待测物体的三维面形分布。
实施例中以三步相移的正弦条纹为例，将一幅周期为18pixels，分辨率大小为1024pixels×768pixels的标准正弦条纹图通过上述发明的时空二元编码方法分解为四幅二值条纹图（n=2）。如附图4所示（所有图均为局部放大），1是计算机产生的一幅标准正弦条纹图，2是第1幅二值条纹图，3是第2幅二值条纹图，4是第3幅二值条纹图，5是第4幅二值条纹图，6是2、3、4和5合成的正弦条纹图。详细的编码表见附图5，其中B1、 B2、 B3和 B4分别对应附图4中第2、3、4和5幅二值条纹图。将分解的四幅二值条纹图分别做三步相移得到共12幅二值条纹图，采用附图3所示的PMP测量系统，将它们用数字投影仪分别投影到参考平面，同时成像系统获取12幅二值条纹图，并按照附图4所示的方式进行合成得到三步相移正弦条纹，根据公式（6）计算其相位分布，与标准正弦条纹作三步相移得到的相位分布作差，得到相位均方根误差为0.007Rad。
Claims (4)
1.一种适用于数字结构光三维传感测量的时空二元编码方法，其特征在于将计算机产生的一幅标准正弦条纹图通过时间和空间编码分解成2 n （n≥2）幅二值条纹图，然后利用数字投影仪将一时间序列的二值条纹图投影并经成像系统获取，所得正弦条纹图特征结构与标准正弦条纹图相同。
2.根据权利要求1所述的时空二元编码方法，其特征在于将一幅标准正弦条纹图的灰度值等分为2 n （n≥2）个区间，对应2 n +1（n≥2）个灰度状态，对每个区间分别采用二维误差扩散的方式进行空间编码得到相应的一幅二值条纹图，量化误差同时在本灰度值区间和其它灰度值区间对应的二值条纹图以行列方式进行扩散，从而实现时间编码。
3.根据权利要求1或2所述的时空二元编码方法产生的2 n （n≥2）幅二值条纹图，其特征在于每幅二值条纹图灰度值仅有0-1两种状态，不受数字投影仪非线性的影响，利用数字投影固有的二元图形高速切换功能可以实现高速高精度测量。
4. 根据权利要求1所述的时空二元编码方法，其特征在于成像系统获取时空编码的二值条纹图时，可以分别获取2 n （n≥2）幅二值条纹图，然后线性叠加成为一幅正弦条纹图，也可以一次同时获取2 n （n≥2）幅二值条纹图，即成像系统获取一幅图像的时间与数字投影仪投影2 n （n≥2）幅二值条纹图的时间相同，这时成像系统的帧频可以是投影仪帧频的1/2 n （n≥2）。
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