CN106530344B - 单线结构光解码方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种单线结构光解码方法及系统，涉及物体的三维重建技术领域。所述方法包括：向被测物体表面投射单线结构光；采集由单线结构光反射形成的单线结构光图案；对单线结构光图案进行处理得到单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列，通过对各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到单线结构光图案中各像素点的相位，实现对单线结构光的解码。所述单线结构光解码方法及系统解决了空间检测法引起的二义性问题，提高了整个解码过程中的解码精度和对图像信息的分析处理效率，进而获得精度更高的物体的三维信息，构建精度更高的物体的三维图像。

Description

单线结构光解码方法及系统

技术领域

本发明涉及物体的三维重建技术领域，具体而言，涉及一种单线结构光解码方法及系统。

背景技术

线结构光三维测量技术是一项精准获取物体的三维信息的技术，广泛应用于科技和工业领域。通常，线结构光三维测量技术包括以下基本步骤：向目标物体投射线结构光并扫描，采集经由目标物体表面反射生成的图案，对采集到的图案信息进行解码，还原目标物体的三维信息，用于对物体的三维重建。

就目前而言，线结构光三维测量技术的解码方法采用的是空间检测方法，通过检测采集到的图像每一行或列的峰值，完成对采集到的图像信息的分析处理，从而完成解码过程。但是，在一些复杂的扫描环境下，某些空间峰值在检测时会产生条纹二义性的现象，会给后续的三维信息获取和三维重建结果的精度造成严重的影响。

同时，空间检测方法对图像信息的分析处理效率低，往往会使得三维重建结果的精度有限，不能完整而正确地表达出被测目标表面的具体信息。

发明内容

为了克服现有技术中的上述不足，本发明实施例的目的在于提供一种对图像信息的分析处理效率高且解码精度高的解码方法及系统，以改善现有技术中对物体的三维重建结果精度不高，无法真实地反映物体的具体情况等缺点。

就解码方法而言，本发明较佳的实施例提供了一种单线结构光解码方法，应用于单线结构光解码系统，所述系统包括投影设备、摄像设备及分别与所述投影设备和摄像设备连接的计算设备，所述方法包括：

所述投影设备向被测物体表面投射单线结构光，以对所述被测物体进行单线结构光扫描；

所述摄像设备采集所述单线结构光经由所述被测物体表面反射形成的单线结构光图案；

所述计算设备对所述单线结构光图案进行处理得到单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列，通过对所述单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到所述单线结构光图案中各像素点的相位，实现对所述单线结构光的解码。

就解码系统而言，本发明较佳的实施例还提供了一种单线结构光解码系统，所述系统包括投影设备、摄像设备及分别与所述投影设备和摄像设备连接的计算设备，其中：

所述投影设备，用于向被测物体表面投射单线结构光，以对所述被测物体进行单线结构光扫描；

所述摄像设备，用于采集所述单线结构光经由所述被测物体表面反射形成的单线结构光图案；

所述计算设备，用于对所述单线结构光图案进行处理得到单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列，通过对所述单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到所述单线结构光图案中各像素点的相位，实现对所述单线结构光的解码。

相对于现有技术而言，本发明实施例提供的单线结构光解码方法及系统具有以下有益效果：所述单线结构光解码方法及系统从傅里叶变换和时间轴解码的角度出发，解决了空间检测法引起的二义性问题，提高了整个解码过程中对图像信息的分析处理效率，较佳的完成了解码过程，进而获得精度更高的物体的三维信息，构建精度更高的物体的三维图像。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的一种单线结构光解码系统的系统组成方框示意图。

图2为本发明较佳实施例提供的一种单线结构光解码方法的流程示意图。

图3为图2中步骤S230的子步骤的一种流程示意图。

图4为图3中子步骤S232的子步骤的一种流程示意图。

图5为本发明较佳实施例提供的另一种单线结构光解码方法的流程示意图。

图标：10-单线结构光解码系统；101-投影设备；102-摄像设备；103-计算设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，图1是本发明较佳实施例提供的单线结构光解码系统10的系统组成方框示意图。本发明实施例中的单线结构光解码系统10可以应用于对物体的三维重建技术中，提高三维重建结果的精度。如图1所示，单线结构光解码系统10包括：投影设备101、摄像设备102及计算设备103。

所述投影设备101、摄像设备102以及计算设备103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些设备之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接，或者通过对无线信号的接收或发送实现设备之间的电性连接，完成数据的交互。

其中，所述投影设备101可以是，但不限于，激光扫描仪(Laser Scanner，LS)，数字光处理(Digital Light Procession，DLP)投影机，液晶显示器(Liquid Cristal Display，LCD)投影机，阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)投影机，硅基液晶(Liquid Crystal OnSilicon，LCOS)投影机等。

所述摄像设备102可以是，但不限于，DVD数码摄像机，硬盘式数码摄像机，高清数码摄像机，单反照相机，卡片照相机，长焦照相机等。

所述计算设备103为一带有处理器的计算机，所述处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力，可以配合本发明实施例中所述计算设备103完成对所述摄像设备102采集到的单线机构光图案的处理。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等。还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

可以理解的是，图1所示的系统仅为单线结构光解码系统10的一种系统组成示意图，所述单线结构光解码系统10还可包括比图1中所示更多或者更少的组成设备，或者具有与图1所示不同的设备配置。图1中所示的各设备可以采用硬件、软件或其组合实现。

在本发明较佳的实施例中，所述投影设备101用于向被测物体表面投射单线结构光，以对所述被测物体进行单线结构光扫描。所述投影设备101进行单线结构光扫描的方式包括：

投影设备101按照预设的顺序依次向所述被测物体的表面投射所述单线结构光。

在本实施例中，所述投影设备101按照预设的顺序在竖直或水平方向上依次向所述被测物体的表面投射单线结构光，完成对所述被测物体进行扫描。所述单线结构光可以是，但不限于，编码后的单线结构光，单纯的单线结构光。在本发明实施例中，所述投影设备101选定在竖直方向上向所述被测物体的表面投射编码后的单线结构光，当编码后的单线结构光被一个接一个依次投射在被测物体上时，在视觉上就像是一束光条纹在被测物体表面移动，完成了对被测物体的扫描。

通常情况下，向所述被测物体表面投射的编码后的单线结构光的图像可用如下公式表示：

其中，是所述投影设备101坐标点(x^p,y^p)的像素强度。下标n代表了图案的指数范围[0,H-1](其中H代表了所述编码后的单线结构光的图像高度且通常等于所述投影设备101的垂直分辨率)。δ(x)是狄拉克δ函数，又称为单位脉冲函数。A^p和B^p是用户定义的投影设备101的投影仪常数。一般地，A^p通常设为0而B^p设为255，这是8比特深度投影仪的最大强度值。因此，所述预设的顺序即为将单线结构光间隔一定距离从上往下或从下往上依次投射在被测物体表面。

在本发明较佳的实施例中，所述摄像设备102用于采集由所述投影设备101投射的单线结构光在所述被测物体表面反射形成的单线结构光图案。

具体地，在本实施例中，所述摄像设备102针对依次投射在被测物体表面上述的单线结构光进行相应的捕捉采集，获得由单线结构光在所述被测物体表面反射形成的单线结构光图案。所述摄像设备102将采集到的单线结构光图案的相关图像数据传输给计算设备103。

根据拓扑原理，获得的由单线结构光在所述被测物体表面反射形成的单线结构光图案可用如下的公式表示：

其中，是摄像设备102坐标点(x^c,y^c)的像素强度，A^c表示平均像素强度且主要包含了周围环境光，B^c是单线结构光图案中像素点的调制光强且与物体反射光成正比，N＝H/f是当前情况下捕捉图案的总数，而Φ(x^c,y^c)代表了坐标点(x^c,y^c)对应的相位值。

在本发明较佳的实施例中，所述计算设备103用于对所述单线结构光图案进行处理得到单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列，通过对所述单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到所述单线结构光图案中各像素点的相位，实现对所述单线结构光的解码。

在本实施方式中，通过使用一个较窄的离散傅立叶窗口来改善相位计算的精度。

具体地，所述计算设备103可通过对上述的由摄像设备102采集到的单线结构光图案的公式进行计算，得到一个确定的像素点(x^c,y^c)在时间轴上的像素强度序列，例如在n＝0,1,…,H/f上是一个离散信号((x^c,y^c)的符号在下文中省略)。

在本实施方式中，所述计算设备103通过对单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到所述单线结构光图案中各像素点的相位的方式，包括：

将进行离散傅里叶变换所对应的离散傅里叶变换窗口分割为多个离散傅里叶变换子窗口。

根据各像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，计算各像素点在所述单线结构光图案中的相位。

具体地，所述进行离散傅里叶变换所对应的离散傅里叶变换窗口为针对所述摄像设备102采集到的所有单线结构光图案进行整体的离散傅里叶变换所需的一种计算窗口。而所述离散傅里叶变换子窗口为经由所述离散傅里叶变换窗口分割后的可对相应部分的单线结构光图案进行离散傅里叶变换的子窗口。在本发明实施方式中，H代表了编码后的单线结构光的图像高度，即为摄像设备102采集到的单线结构光图案的整体高度，可表示离散傅里叶变换窗口的尺寸。而所述离散傅里叶变换子窗口的尺寸大小可以用N＝H/f表示，f为投影设备101向被测物体表面投射单线结构光时的当前频率，N为单个的所述离散傅里叶变换子窗口内蕴含的单线结构光图案的个数。因此，可以用窗口序列号表示相应的划分出来的离散傅里叶变换子窗口，用i表示。而i的范围为[0,1,2,...,f-1]，即子窗口的个数与当前频率f的值相等。

在本实施方式中，所述计算设备103根据各像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，计算各像素点在所述单线结构光图案中的相位的方式，包括：

计算各像素点在单线结构光图案中的调制光强，将计算得到的各像素点的调制光强与预设的调制光强进行比较。

当像素点的调制光强大于预设的调制光强时，计算所述像素点在单线结构光图案中的相位。

在本实施方式中，确定各像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，然后针对各像素点进行相位的计算，而各像素点在所述单线结构光图案中的调制光强的计算公式如下：

其中，B^c代表所述像素点的调制光强。

在本实施例中，向被测物体表面投射的线结构光是周期性的，在一个周期中，环境光强可以认定为不变的，单线结构光图案中各像素点的相位也因此几乎不受到周围环境光线的影响。由上述B^c的计算公式可知，当为常数时，B^c的值也近似为0，即与扫描区域相比背景区域的B^c值是比较小的。通过对背景区域的B^c值的滤除，可以减小对相位计算的误差，提高相位计算的精度，提高获取到的物体的三维信息的精度。

在本实施方式中，预设的调制光强是选定众多像素点的B^c值中相关的一个较大的B^c值作为阈值，如果像素点的B^c值大于阈值，则该像素点属于对应的扫描区域，否则就属于背景区域，从而将扫描区域和背景区域分离了出来。排除背景区域中的像素点对扫描区域中的像素点的相位计算的影响，提高了计算后的相位精度，确定了所述像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，具体的相位计算过程可由下式可得。

具体地，通过上述区域分离处理，辨识出处理后的单线结构光图案的每个像素点所属的离散傅立叶变换子窗口的窗口序列号，然后对位于扫描区域中的任一像素点，可以使用下式计算相应的相位：

其中，Φ代表所述像素点在单线结构光图案中的相位，i＝[0,1,2,...,f-1]表示所述像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，表示所述像素点在时间轴上的像素强度序列，N＝H/f表示当前频率f离散傅里叶变换子窗口的窗口尺寸，H表示当前频率f下离散傅里叶变换窗口的窗口尺寸，N同时表示离散傅里叶变换子窗口中采集到的所述单线结构光图案的数量。

在本发明较佳的实施例中，所述计算设备103还可用于对单线结构光按照时间编码策略进行编码。

具体地，所述计算设备103对单线结构光按照时间编码策略进行编码后，将编码后的单线结构光传送给所述投影设备101，以对被测物体进行单线结构光扫描。

在本发明较佳的实施例中，所述计算设备103还用于根据所述单线结构光图案中各像素点的相位及相位-坐标转换矩阵获得所述被测物体的三维信息，并根据所述被测物体的三维信息构建所述被测物体的三维图像。

具体地，所述相位-坐标转换矩阵为像素点的相位与被测物体表面上与所述像素点相对应坐标之间的转换矩阵，即可通过像素点的相位信息获得该像素点在被测物体表面上的坐标信息，进而获得被测物体的三维信息，从而构建被测物体的三维图像。

请参照图2，图2是本发明较佳实施例提供的一种单线结构光解码方法的流程示意图，以下对所述方法的具体流程进行描述。

在本实施例中，所述单线结构光解码方法可以包括以下步骤：

步骤S210，投影设备101向被测物体表面投射单线结构光，以对所述被测物体进行单线结构光扫描。

在本实施例中，所述步骤S210由图1中所示的投影设备101执行，所述步骤S210详细描述可以参照对所述投影设备101的具体描述。所述步骤S210中的单线结构光可以是所述计算设备103按照时间编码策略编码后得到的单线结构光。

步骤S220，摄像设备102采集所述单线结构光经由所述被测物体表面反射形成的单线结构光图案。

在本实施例中，所述步骤S220由图1中所示的摄像设备102执行，所述步骤S220详细描述可以参照对所述摄像设备102的具体描述。

步骤S230，计算设备103对所述单线结构光图案进行处理得到单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列，通过对所述单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到所述单线结构光图案中各像素点的相位，实现对所述单线结构光的解码。

具体地，请参照图3，图3是图2中步骤S230的子步骤的一种流程示意图，所述步骤S230可以包括：

子步骤S231，将进行离散傅里叶变换所对应的离散傅里叶变换窗口分割为多个离散傅里叶变换子窗口。

子步骤S232，根据各像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，计算各像素点在所述单线结构光图案中的相位。

在本实施例中，所述子步骤S231及子步骤S232均由图1中所示的计算设备103执行，所述子步骤S231及子步骤S232的详细描述可以参照对所述计算设备103的具体描述。

具体地，请参照图4，图4是图3中子步骤S232的子步骤的一种流程示意图，所述步骤S232可以包括：

子步骤S2321，计算各像素点在单线结构光图案中的调制光强，将计算得到的各像素点的调制光强与预设的调制光强进行比较。

子步骤S2322，当像素点的调制光强大于预设的调制光强时，计算所述像素点在单线结构光图案中的相位。

在本实施例中，所述子步骤S2321及子步骤S2322均由图1中所示的计算设备103执行，所述子步骤S2321及子步骤S2322的详细描述可以参照对所述计算设备103的具体描述。

请参照图5，图5是本发明较佳实施例提供的另一种单线结构光解码方法的流程示意图，所述单线结构光解码方法还包括步骤S240和步骤S250。

所述步骤S240，根据所述单线结构光图案中各像素点的相位及相位-坐标转换矩阵获得所述被测物体的三维信息。

所述步骤S250，根据所述被测物体的三维信息构建所述被测物体的三维图像。

在本实施例中，所述步骤S240和步骤S250均由图1中所示的计算设备103执行，所述步骤S240和步骤S250的详细描述可以参照对所述计算设备103的具体描述。

综上所述，本发明实施例提供的单线结构光解码方法及系统。所述单线结构光解码方法及系统从傅里叶变换和时间轴解码的角度出发，解决了空间检测法引起的二义性问题，提高了整个解码过程中对图像信息的分析处理效率，较佳的完成了解码过程，进而获得精度更高的物体的三维信息，构建精度更高的物体的三维图像。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单线结构光解码方法，应用于单线结构光解码系统，所述系统包括投影设备、摄像设备及分别与所述投影设备和摄像设备连接的计算设备，其特征在于，所述方法包括：

所述投影设备向被测物体表面投射单线结构光，以对所述被测物体进行单线结构光扫描；

所述摄像设备采集所述单线结构光经由所述被测物体表面反射形成的单线结构光图案；

所述计算设备对所述单线结构光图案进行处理得到单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列，通过对所述单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到所述单线结构光图案中各像素点的相位，实现对所述单线结构光的解码；

其中，所述通过对所述单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到所述单线结构光图案中各像素点的相位的步骤，包括：

将进行离散傅里叶变换所对应的离散傅里叶变换窗口分割为多个离散傅里叶变换子窗口；

根据各像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，计算各像素点在所述单线结构光图案中的相位，其中所述单线结构光图案中各像素点的相位公式如下：

其中，Φ代表像素点在单线结构光图案中的相位，i＝[0，1，2，...，f-1]表示所述像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，表示所述像素点在时间轴上的像素强度序列，N＝H/f表示当前频率f下离散傅里叶变换子窗口的窗口尺寸，H表示当前频率f下离散傅里叶变换窗口的窗口尺寸，N同时表示离散傅里叶变换子窗口中采集到的所述单线结构光图案的数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，计算各像素点在所述单线结构光图案中的相位的步骤包括：

计算各像素点在单线结构光图案中的调制光强，将计算得到的各像素点的调制光强与预设的调制光强进行比较；

当像素点的调制光强大于预设的调制光强时，计算所述像素点在单线结构光图案中的相位。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述单线结构光图案中各像素点的相位及相位-坐标转换矩阵获得所述被测物体的三维信息，其中所述相位-坐标转换矩阵为像素点的相位与被测物体表面上与所述像素点相对应坐标之间的转换矩阵；

根据所述被测物体的三维信息构建所述被测物体的三维图像。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，各像素点在所述单线结构光图案中的调制光强的计算公式如下：

其中，B^c代表所述像素点的调制光强。

5.一种单线结构光解码系统，其特征在于，所述系统包括投影设备、摄像设备及分别与所述投影设备和摄像设备连接的计算设备，其中：

所述投影设备，用于向被测物体表面投射单线结构光，以对所述被测物体进行单线结构光扫描；

所述摄像设备，用于采集所述单线结构光经由所述被测物体表面反射形成的单线结构光图案；

所述计算设备，用于对所述单线结构光图案进行处理得到单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列，通过对所述单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到所述单线结构光图案中各像素点的相位，实现对所述单线结构光的解码；

其中，所述计算设备通过对单线结构光图案中各像素点在时间轴上的像素强度序列进行傅里叶变换得到所述单线结构光图案中各像素点的相位的方式，包括：

将进行离散傅里叶变换所对应的离散傅里叶变换窗口分割为多个离散傅里叶变换子窗口；

根据各像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，计算各像素点在所述单线结构光图案中的相位，其中所述摄像设备采集到的单线结构光图案中各像素点的相位公式如下：

其中，Φ代表像素点在单线结构光图案中的相位，i＝[0，1，2，...，f-1]表示所述像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，表示所述像素点在时间轴上的像素强度序列，N＝H/f表示当前频率f下离散傅里叶变换子窗口的窗口尺寸，H表示当前频率f下离散傅里叶变换窗口的窗口尺寸，N同时表示离散傅里叶变换子窗口中采集到的所述单线结构光图案的数量。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述计算设备根据各像素点所属的离散傅里叶变换子窗口的窗口序列号，计算各像素点在所述单线结构光图案中的相位的方式，包括：

计算各像素点在单线结构光图案中的调制光强，将计算得到的各像素点的调制光强与预设的调制光强进行比较；

当像素点的调制光强大于预设的调制光强时，计算所述像素点在单线结构光图案中的相位。