CN105187841B - 一种带误差反馈的三维数据编解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带误差反馈的三维数据编解码方法，包括步骤：初始编码过程中，建立虚拟的三维投影系统，实现原始三维数据到二维图像或图像序列的转换，然后通过量化，进一步转换为二值图像或图像序列，再按一定方式对其进行压缩存储；解码过程中，从压缩结果中解压和逆变换，得到二维图像或图像序列，并进一步通过三维重建，得到初步重建结果；如果压缩结果里面含有误差信息，对其进行解码并对初步三维数据进行补偿，得到重建三维数据；误差编码过程中，计算重建的三维数据或其对应相位信息的误差，并根据重建精度的要求，将误差信息通过一定方式编码存储在压缩结果里。

Description

一种带误差反馈的三维数据编解码方法

技术领域

本发明属于三维数据压缩技术领域，具体涉及一种带误差反馈的三维数据编解码方法。本发明由于存储并利用了初步重建的三维数据或对应相位的误差信息，使得三维数据的编解码流程成为一个闭环系统，能大幅地提高基于二维图像的三维数据压缩算法的精度。

背景技术

随着计算机与电子技术的发展，三维扫描与成像技术变得相当流行与普遍。譬如，在工业生产、生物医疗、科学研究，以及影音娱乐等领域，三维成像设备得到了大量的应用。这些先进的仪器与技术的应用，一方面给人们的生活与工作带来了极大的便利；另一方面，也给我们带来了新的挑战与难题，那就是如何去存储与传输这些大量的三维数据。

一般三维成像设备获得的是物体表面高度分布的三维点云，对三维点云进行压缩的算法主要分为基于空间结构与基于二维图像的编码方法。基于空间结构的编码方法一般需要建立树叉结构，编解码过程比较麻烦耗时；基于二维图像的编码方法通过投影变换快速将三维数据转换为二维图像或图像序列，而二维图像压缩已经是个很成熟的研究领域，有很多有效的图像压缩算法可供使用，因而此类方法是非常有潜力的三维数据压缩方法。然而，基于二维图像的压缩方法属于有损压缩，随着压缩比的升高，损失的信息可能越多，导致最终解码恢复的三维数据精度较低。

发明内容

为了解决现有的基于二维图像的压缩方法精度较低的问题，本发明提供了一种带误差反馈的三维数据编解码方法，能保证在获得较高压缩比的同时，得到较高的三维数据恢复精度。

本发明的带误差反馈的三维数据编解码方法，所述的编解码方法包括如下步骤：

（1）初始编码过程中，建立虚拟的三维投影系统，实现原始三维数据到二维图像或图像序列的转换，然后通过量化，进一步转换为二值图像或图像序列，再按一定方式对其进行压缩存储；

（2）解码过程中，从压缩结果中解压和逆变换，得到二维图像或图像序列，并进一步通过三维重建，得到初步重建结果；如果压缩结果里面含有误差信息，对其进行解码并对初步三维数据进行补偿，得到重建三维数据；

（3）误差编码过程中，计算重建的三维数据或其对应相位信息的误差，评估重建精度是否满足要求，如果否，则将误差信息通过一定方式编码存储在压缩结果里，并返回步骤（2）；如果是，则编码阶段结束，得到最终压缩结果。

优选地，所述步骤（1）中，在计算机里建立虚拟的双目或多目投影系统或结构光投影系统，实现原始三维数据到二维图像或图像序列的转换；然后，采用半色调技术或其改进算法对二维图像或图像序列进行量化；量化后得到的二值图像或图像序列可以一并存储在一幅或多幅灰度或彩色图像里面；然后，使用图像压缩算法（比如PNG，JPEG等）对所得图像实现进一步压缩。

优选地，所述步骤（2）进一步包括如下步骤：（2-1）从压缩结果中解压，并利用逆半调技术恢复得到二维图像或图像序列，此处所述的逆半调技术不包括高斯低通滤波；（2-2）通过三维重建，从二维图像或图像序列中得到初步重建结果；（2-3）判断压缩结果里是否含有误差信息，如果是，则解码误差信息并对初步重建结果进行补偿，得到重建三维数据；如果否，则将初步重建结果作为重建三维数据。对最终压缩结果进行解码，即可得到最终重建结果。

优选地，所述步骤（3）进一步包括如下步骤：（3-1）与原始三维数据对比，计算得到重建三维数据或其相位信息的误差；（3-2）判断重建精度是否满足要求，如果否，则将误差按一定编码方式存储在压缩结果里，并返回步骤（2）；编码方式（a）：将误差量化为图像，此处图像可以是1-bit的二值图像，也可以是n-bit (n>1)的数据，然后一并存储在压缩结果里；编码方式（b）：将误差视为三维数据或相位信息，通过投影变换转换为图像或图像序列，然后一并存储在压缩结果里；误差存储方式包括上述方式，但不限于此；（3-3）如果步骤（3-2）中判断结果为是，则编码阶段结束，得到最终压缩结果。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，在三维数据的解码过程中，通过引入逆半调技术从压缩数据中恢复二维图像或图像序列，并进一步重建得到初步三维数据，这样得到的初步三维数据精度更高；另外，通过计算初步解码的三维数据或其相位信息的误差，将其一并编码存储在压缩结果里面，并在最终解码阶段据此进行补偿，能实现高精度的三维数据恢复。

本发明的带误差反馈的三维数据编解码方法有益效果是：使得基于二维图像的三维数据编解码不再是一个开环、精度难控的过程；通过误差反馈的引入，降低了对编解码各个环节的精度控制要求，大幅地提高了三维数据的恢复精度。

附图说明

图1为本发明的带误差反馈的三维数据编解码方法流程；

图2为本发明实施例的结构光投影系统；

图3为本发明实施例的解码过程；

图4为本发明实施例的误差编码过程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

由于本发明的带误差反馈的三维数据编解码方法是一个循环反馈的闭环系统，先总体介绍编解码流程，然后具体介绍每个阶段与过程。

总体编解码流程如图1所示。获取原始三维数据（步骤10），经过初始编码（步骤11），得到压缩结果（步骤12），然后对压缩结果解码（步骤13），得到重建的三维数据（步骤14），评估重建结果的精度，判断重建精度是否满足要求（步骤15），如果步骤15的判断结果为否，则计算重建结果的误差并对误差进行编码，存储在压缩结果里（步骤16），返回步骤12；如果步骤15的判断结果为是，则编码阶段结束，得到最终压缩结果（步骤17）。对最终压缩结果进行解码（步骤18），即可得到最终重建结果（步骤19）。

具体地，初始编码过程中，通过计算机建立一套虚拟的双目或多目投影系统或结构光投影系统，对需要压缩的三维数据Z进行投影变换，进而得到二维图像或图像序列。优选地，对结构光投影系统，如图2所示，采用正弦光栅条纹投影和多步相移法，得到变形条纹图像序列，

其中，A为背景分布；B为调制强度；，为由所建立的虚拟系统决定的相位信息。

然后，利用半色调技术或其改进算法实现二维图像或图像序列的量化，量化后得到的二值图像或图像序列可以一并存储在一幅或多幅灰度或彩色图像里面，最后，使用图像压缩算法（比如PNG，JPEG等）对所得图像实现进一步压缩。优选地，采用误差扩散抖动技术(error-diffusion dithering) 实现二维图像或图像序列的量化。

具体地，解码过程如图3所示。首先，获取压缩结果（步骤20），从压缩结果中解压，并利用逆半调技术恢复图像，此处所述的逆半调技术不包括高斯低通滤波（步骤21）。高斯低通滤波作为最简单的从二值数据恢复灰度信息的方法，其恢复结果的精度质量不高。因此，需要采用更复杂高级的逆半调技术，恢复得到二维图像或图像序列（步骤22）。然后，通过三维重建算法（步骤23），从二维图像或图像序列中得到初步重建结果（步骤24）。优选地，通过多步相移法从图像序列中解调得到包裹相位，再经过相位展开得到绝对相位，然后经坐标转换得到三维数据。

接下来，判断压缩结果里面是否含有误差信息（步骤25），如果是，则对误差信息进行解码并按一定方式将其补偿在初步重建结果里（步骤26），得到重建的三维数据（步骤27）；如果步骤25的判断结果为否，则将初步重建结果作为重建的三维数据（步骤27）。

具体地，误差编码过程如图4所示。首先，获取重建三维数据（步骤30），与原始三维数据对比，评估重建结果的精度，优选地，将原始三维数据与重建结果作差：

判断重建精度是否满足要求（步骤31），如果（为所需精度对应的误差阈值），则获得重建三维数据或相位信息的误差（步骤32），将误差按一定编码方式进行编码（步骤33），并存储在压缩结果里（步骤34）。所述的编码方式优选下面两种，编码方式（a）：将误差量化为图像，此处图像可以是1-bit的二值图像，也可以是n-bit (n>1)的数据，然后一并存储在压缩结果里；编码方式（b）：将误差视为三维数据或相位信息，通过投影变换转换为图像或图像序列，然后一并存储在压缩结果里；误差编码方式包括上述方式，但不限于此。另外，如果步骤31中判断结果为是，则编码阶段结束，得到最终压缩结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带误差反馈的三维数据编解码方法，其特征在于，所述的编解码方法主要包括三维数据的初始编码、解码以及误差编码过程，具体包括如下步骤：

（1）初始编码过程中，建立虚拟的三维投影系统，实现原始三维数据到二维图像或图像序列的转换，然后通过量化，进一步转换为二值图像或图像序列，再按一定方式对其进行压缩存储；

（2）解码过程中，从压缩结果中解压和逆变换，得到二维图像或图像序列，并进一步通过三维重建，得到初步三维数据；如果压缩结果里面含有误差信息，对其进行解码并对初步三维数据进行补偿，得到重建三维数据；

（3）误差编码过程中，计算重建的三维数据或其对应相位信息的误差，评估重建精度是否满足要求，如果否，则将误差信息通过一定方式编码存储在压缩结果里，并返回步骤（2）；如果是，则编码阶段结束，得到最终压缩结果。

2.根据权利要求1所述的一种带误差反馈的三维数据编解码方法，其特征在于，所述的步骤（1）中建立的虚拟投影系统包括双目或多目投影系统。

3.根据权利要求1所述的一种带误差反馈的三维数据编解码方法，其特征在于：所述的步骤（1）中利用半色调技术或其改进算法实现二维图像或图像序列的量化压缩。

4.根据权利要求1所述的一种带误差反馈的三维数据编解码方法，其特征在于：所述的步骤（2）从压缩结果中解压，并利用逆半调技术恢复得到二维图像或图像序列，此处所述的逆半调技术不包括高斯低通滤波。

5.根据权利要求1所述的一种带误差反馈的三维数据编解码方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，与原始三维数据或相位信息对比，计算得到重建三维数据或其相位信息的误差，并将误差按一定编码方式存储在压缩结果里。

6.根据权利要求5所述的一种带误差反馈的三维数据编解码方法，其特征在于，所述的编码方式为下列方式中的一种：

编码方式一：将误差量化为图像，此处图像为1-bit的二值图像或者n-bit的数据其中，n>1；

编码方式二：将误差视为三维数据或相位信息，通过投影变换转换为图像或图像序列。