CN107516333A - 自适应De Bruijn彩色结构光编码方法 - Google Patents

自适应De Bruijn彩色结构光编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自适应De Bruijn彩色结构光编码方法，采用设备为摄像机、投影机、支撑调节机构、计算机、理想投影平面；其特征在于：将摄像机和投影机固定到支撑调节机构上，并可以通过手动方式调整支撑调节机构的方位、俯仰方向的角度，进而调整摄像机的拍摄角度和投影机的投影角度，确保摄像机可以拍摄到投影机投射的全部图像；摄像机和投影机都通过电缆与计算机连接；该方法首先使用De Bruijn编码方法生成彩色结构光条纹序列，接着利用摄像机捕获待测物体的本征颜色信息，然后根据投射的彩色条纹受到待测物体的本征颜色的干扰程度，自适应调整彩色结构光条纹序列。通过该方法不仅提高了编码图像的抗干扰能力，且扩大了基于彩色结构光的三维重构的普适性。

Description

自适应De Bruijn彩色结构光编码方法
技术领域
本发明涉及一种自适应De Bruijn彩色结构光编码方法，属于计算机视觉技术领域。
背景技术
结构光三维重构是一种主动式光学重构技术，其基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射光点、光条或光面结构图像，并由图像传感器(如摄像机)捕获调制的图像，利用三角测量原理计算物体的三维信息。结构光三维重构具有计算简单、价格低、便于安装和维护等优点，其在逆向工程、3D打印中被广泛使用。由于灰度条纹编码和时间条纹编码需利用多幅编码图像进行三维信息求解，因而三维重构效率低。近些年，彩色编码结构光三维重构技术，其只需投射一副编码图像即可对待测物体进行三维重构，因此其逐渐成为当前的研究热点。
JiahulPan等人提出了基于红、绿、兰、青、深红、黄六种颜色的二进制格雷码图案，并设计一种自适应阈值的方法使被测物体不受本身表面不连续性的影响。为了减少解码错误，还使用了一种自校验方法和采用了亚像素技术进行了物体表面重建，可测量缓慢移动的物体。Ali Osman Ulusoy等人从编码条纹的快速解码角度考虑，利用几何约束方式提出了一种利用De Bruijn序列生成横、纵条纹构成的网格编码投影图像，该方法虽然能够快速准确的对条纹进行解码，但面临彩色物体时会出现约束条件串扰问题，导致解码错误。Changsoo Je等人针对多投影机彩色结构光颜色叠加问题，提出了一种利用编码条纹的梯度方向的偏导，求解不同投影机的彩色条纹方向，由于该方法利用不同投影机编码条纹之间的梯度方向的关系，因此无法应用于单投影机的彩色物体的三维重建。
综上所述，在现有彩色结构光三维重构中，通常对白色物体进行三维重构。当面临彩色物体时，物体本征颜色信息会对编码条纹的颜色进行干扰，使得解码过程中提取的彩色条纹颜色信息错误，导致三维重构错误率高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应De Bruijn彩色结构光编码方法，该方法首先使用De Bruijn编码方法生成彩色结构光条纹序列，接着利用摄像机捕获待测物体的本征颜色信息，然后根据投射的彩色条纹受到待测物体的本征颜色的干扰程度，自适应调整彩色结构光条纹序列。通过该方法不仅提高了编码图像的抗干扰能力，且扩大了基于彩色结构光的三维重构的普适性。
本发明的技术方案是这样实现的：自适应De Bruijn彩色结构光编码方法，采用设备为摄像机、投影机、支撑调节机构、计算机、理想投影平面；其特征在于：将摄像机和投影机固定到支撑调节机构上，并可以通过手动方式调整支撑调节机构的方位、俯仰方向的角度，进而调整摄像机的拍摄角度和投影机的投影角度，确保摄像机可以拍摄到投影机投射的全部图像；摄像机和投影机都通过电缆与计算机连接；其具体的步骤如下：
步骤1、在计算机中，利用具有随机特性与确定性的De Bruijn伪随机序列，产生一幅7元3级De Bruijn序列彩色结构光编码标定图像，该图像背景颜色为黑色，其RGB值为（0，0，0），每条彩色条纹的宽度为一个像素，任意两条相邻彩色条纹的颜色都不相同并且间隔3个像素，7种颜色分别用a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7表示，其中颜色ax的RGB值分别用rx，gx，bx表示，x＝1，2，…，7；颜色a1的RGB值为（0,0,1），颜色a2的RGB值为（0,1,0），颜色a3的RGB值为（0,1,1），颜色a4的RGB值为（1,0,0），颜色a5的RGB值为（1,0,1），颜色a6的RGB值为（1,1,0），颜色a7的RGB值为（1,1,1）。
步骤2、计算机通过投影机将步骤1中产生的7元3级De Bruijn序列彩色结构光编码标定图像投影到理想投影平面上，生成调制后投影标定图像。
步骤3、计算机通过摄像机拍摄步骤2生成的调制后投影标定图像，得到彩色结构光编码标定图片，确保彩色结构光编码标定图片中的彩色条纹的顺序与De Bruijn序列彩色结构光编码标定图像中彩色条纹的顺序一致。
步骤4、计算机采用传统的canny算法提取步骤3得到的彩色结构光编码标定图片中每条彩色条纹的上边界和下边界，再计算每条彩色条纹的上边界和下边界的中间位置，得到每条彩色条纹的中心彩色条纹；设共得到m条中心彩色条纹，每条中心彩色条纹有n个像素点；在m行上依次排列每条彩色条纹的n个像素点，得到由这些像素点构成的m´n阶矩阵Z；设像素点Z（i,j）在彩色结构光编码标定图片中的位置坐标用(X(i,j),Y(i,j))表示，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。
步骤5、保持摄像机和投影机的相对位置和姿态、设置的参数不变，设理想投影平面的位置记为P，将理想的投影平面移出摄像机的视场，将彩色待测物体放置在位置P处。
步骤6、计算机通过摄像机拍摄彩色待测物体，得到彩色待测物体本征颜色图像。
步骤7、构造矩阵Z1，Z1(i,j)是矩阵Z1的第i行，第j列元素，Z1(i,j)为彩色待测物体本征颜色信息图像中在位置（X(i,j),Y(i,j)）处的像素点，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。
步骤8、设R（i，j）、G（i，j）、B（i，j）分别为像素点Z1(i,j)的RGB值，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。
步骤9、构造矩阵D，D(i,j,x)可由下式表示，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n，x=1,2,3,4,5,6,7。
步骤10、构造矩阵N，N(i,x)是矩阵N的第i行，第x列元素，N(i，x)=0，i=1,2,…,m，x=1,2,3,4,5,6,7。
步骤11、设D（i，j，q）是｛D（i，j，1），D（i，j，2），D（i，j，3），D（i，j，4），D（i，j，5），D（i，j，6），D（i，j，7）｝中的最小值且q值最小，那么N(i,q)=N(i,q)+1,i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。
步骤12、构造矩阵W，W(i,j)是矩阵W的第i行，第j列元素，W(i,j)表示物体的本征颜色信息与颜色ax的干扰概率，i=1,2,…,7，j=1,2,…,7；对于固定的i，。
步骤13、构造矩阵H，H(i,x)是矩阵H的第i行，第x列元素，H(i，x)=N（i，1）/n*W(x,1)+ N（i，2）/n*W(x,2)+ N（i，3）/n*W(x,3)+ N（i，4）/n*W(x,4)+ N（i，5）/n*W(x,5)+ N（i，6）/n*W(x,6)+N（i，7）/n*W(x,7)，i=1,2,…,m。
步骤14、构造颜色向量C，元素C(i)表示自适应De Bruijn彩色结构光编码图像中第i条彩色条纹的颜色，设第i条彩色条纹的颜色的RGB值分别用RC(i)，Gc(i)，Bc(i)表示；颜色向量C的构造方法如下：
设H（1，q1）是｛H（1，1），H（1，2），H（1，3），H（1，4），H（1，5），H（1，6），H（1，7）｝中的最小值且q1值最小，那么RC(1)=rq1，GC(1)=gq1，BC(1)=bq1；
设q2不等于q1，而且H（2，q2）是矩阵H第2行元素中不包含H（2，q1）的元素中最小值且q2值最小，那么RC(2)=rq2，GC(2)=gq2，BC(2)=bq2；
分别对于i=3,4，…m，将H（i，1），H（i，2），H（i，3），H（i，4），H（i，5），H（i，6），H（i，7）按照从小到大的顺序排序。按照排序的结果，从小到大依次判断：如果颜色aq3和颜色C（i-1）不同，且由颜色C（i-2）、颜色C（i-1）、颜色aq3构成的组合是自适应De Bruijn彩色结构光编码图像中现有的任意相邻的三条彩色条纹的颜色的组合都不相同，那么RC(i)=rq3，GC(i)=gq3，BC(i)=bq3；
利用以上步骤可以得到自适应De Bruijn彩色结构光编码图像。
本发明的积极效果是根据不同的场景颜色投射对应的干扰程度最小的彩色结构光条纹，大幅度降低场景颜色带来的误差。其优点在于：
1.本发明中的彩色结构光编码方法是是对投影的De Bruijn彩色结构光的编码顺序进行调整，因此其子序列具有唯一性，也即是任意三条相邻的光线条纹颜色顺序唯一，有利于结构光编码图像的正确解码；
2.本发明中彩色结构光编码图像可以根据待测物体表面的颜色进行调整，使得彩色结构光编码图像的识别正确率更高、彩色结构光编码图像的抗干扰性更强；
3.使用本发明中的彩色结构光编码方法所得到的彩色结构光编码图像，能够投射于任意物体之上，对接收结构光编码图像的曲面没有严格的限制。
附图说明
图1为本发明自适应De Bruijn彩色结构光编码方法所需设备结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：如图1所示，自适应De Bruijn彩色结构光编码方法，采用设备为摄像机1、投影机2、支撑调节机构3、计算机4、理想投影平面5；其特征在于：将摄像机1和投影机2固定到支撑调节机构3上，并可以通过手动方式调整支撑调节机构3的方位、俯仰方向的角度，进而调整摄像机1的拍摄角度和投影机2的投影角度，确保摄像机1可以拍摄到投影机2投射的全部图像；摄像机1和投影机2都通过电缆与计算机4连接；其具体的步骤如下：
步骤1、在计算机4中，利用具有随机特性与确定性的De Bruijn伪随机序列，产生一幅7元3级De Bruijn序列彩色结构光编码标定图像，该图像背景颜色为黑色，其RGB值为（0，0，0），每条彩色条纹的宽度为一个像素，任意两条相邻彩色条纹颜色都不相同并且间隔3个像素，7种颜色分别用a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7表示，其中颜色ax的RGB值分别用rx，gx，bx表示，x＝1，2，…，7；颜色a1的RGB值为（0,0,1），颜色a2的RGB值为（0,1,0），颜色a3的RGB值为（0,1,1），颜色a4的RGB值为（1,0,0），颜色a5的RGB值为（1,0,1），颜色a6的RGB值为（1,1,0），颜色a7的RGB值为（1,1,1）；
步骤2、计算机4通过投影机2将步骤1中产生的De Bruijn序列彩色结构光编码标定图像投影到理想投影平面5上，生成调制后的投影标定图像；
步骤3、计算机4通过摄像机1拍摄步骤2生成的调制后的投影标定图像，得到彩色结构光编码标定图片，确保彩色结构光编码标定图片中的彩色条纹的顺序与De Bruijn序列彩色结构光编码标定图像中彩色条纹的顺序一致；
步骤4、计算机4采用传统的canny算法提取步骤3得到的彩色结构光编码标定图片中每条彩色条纹的上边界和下边界，再计算每条彩色条纹的上边界和下边界的中间位置，得到每条彩色条纹的中心彩色条纹；设共得到192条中心彩色条纹，每条中心彩色条纹有1024个像素点；在192行上依次排列每条彩色条纹的1024个像素点，得到由这些像素点构成的192´1024阶矩阵Z；设像素点Z（i,j）在彩色结构光编码标定图片中的位置坐标用(X(i,j),Y(i,j))表示，i=1,2,…,192，j=1,2,…,1024；
步骤5、保持摄像机1和投影机2的相对位置和姿态、设置的参数不变，设理想投影平面的位置记为P，将理想的投影平面5移出摄像机1的视场，将彩色待测物体放置在位置P处；
步骤6、计算机4通过摄像机1拍摄彩色待测物体，得到彩色待测物体本征颜色图像信息；
步骤7、构造矩阵Z1，设元素Z1(i,j)是矩阵Z1的第i行，第j列元素，Z1(i,j)为彩色待测物体本征颜色图像中在位置（X(i,j),Y(i,j)）出的像素点，i=1,2,…,192，j=1,2,…,1024；
步骤8、设R（i，j）、G（i，j）、B（i，j）为像素点Z1(i,j)的RGB值，i=1,2,…,192，j=1,2,…,1024；
步骤9、构造矩阵D，其中元素D（i,j,x）可由下式表示i=1,2, …,192，j=1,2,…,1024，x=1,2,3,4,5,6,7。
步骤10、构造矩阵N，其中N（i，x）=0，i=1,2,…,192，x=1,2,3,4,5,6,7。
步骤11、设D（i，j，q）是｛D（i，j，1），D（i，j，2），D（i，j，3），D（i，j，4），D（i，j，5），D（i，j，6），D（i，j，7）｝中的最小值且q值最小，那么N(i,q)=N(i,q)+1，i=1,2,…,192，j=1,2,…,1024。
步骤12、，其中元素W(i,j)表示物体的本征颜色信息与颜色ax的干扰概率，i=1,2,…,7，j=1,2,…,7；对于固定的i，。
步骤13、构造矩阵H，H(i,x)是矩阵H的第i行，第x列元素，H(i，x)=N（i，1）/n*W(x,1)+ N（i，2）/n*W(x,2)+ N（i，3）/n*W(x,3)+ N（i，4）/n*W(x,4)+ N（i，5）/n*W(x,5)+ N（i，6）/n*W(x,6)+N（i，7）/n*W(x,7),i=1,2,…,192。
步骤14、构造颜色向量C，元素C(i)表示自适应De Bruijn彩色结构光编码图像中第i条彩色条纹的颜色，设第i条彩色条纹的颜色的RGB值分别用RC(i)，Gc(i)，Bc(i)表示；颜色向量C的构造方法如下：
设H（1，q1）是｛H（1，1），H（1，2），H（1，3），H（1，4），H（1，5），H（1，6），H（1，7）｝中的最小值且q1值最小，那么RC(1)=rq1，GC(1)=gq1，BC(1)=bq1；
设q2不等于q1，而且H（2，q2）是矩阵H第2行元素中不包含H（2，q1）的元素中最小值且q2值最小，那么RC(2)=rq2，GC(2)=gq2，BC(2)=bq2；
对于i=3,4，…，192，将H（i，1），H（i，2），H（i，3），H（i，4），H（i，5），H（i，6），H（i，7）按照从小到大的顺序排序。按照排序的结果，从小到大依次判断：如果颜色aq3和颜色C（i-1）不同，且由颜色C（i-2）、颜色C（i-1）、颜色aq3构成的组合是自适应De Bruijn彩色结构光编码图像中现有的任意相邻的三条彩色条纹的颜色的组合都不相同，那么RC(i)=rq3，GC(i)=gq3，BC(i)=bq3；
利用以上步骤可以得到自适应De Bruijn彩色结构光编码图像。

Claims (1)

1.自适应De Bruijn彩色结构光编码方法，采用设备为摄像机、投影机、支撑调节机构、计算机、理想投影平面；其特征在于：将摄像机和投影机固定到支撑调节机构上，并可以通过手动方式调整支撑调节机构的方位、俯仰方向的角度，进而调整摄像机的拍摄角度和投影机的投影角度，确保摄像机可以拍摄到投影机投射的全部图像；摄像机和投影机都通过电缆与计算机连接；其具体的步骤如下：
步骤1、在计算机中，利用具有随机特性与确定性的De Bruijn伪随机序列，产生一幅7元3级De Bruijn序列彩色结构光编码标定图像，该图像背景颜色为黑色，其RGB值为（0，0，0），每条彩色条纹的宽度为一个像素，任意两条相邻彩色条纹的颜色都不相同并且间隔3个像素，7种颜色分别用a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7表示，其中颜色ax的RGB值分别用rx，gx，bx表示，x＝1，2，…，7；颜色a1的RGB值为（0,0,1），颜色a2的RGB值为（0,1,0），颜色a3的RGB值为（0,1,1），颜色a4的RGB值为（1,0,0），颜色a5的RGB值为（1,0,1），颜色a6的RGB值为（1,1,0），颜色a7的RGB值为（1,1,1）；
步骤2、计算机通过投影机将步骤1中产生的7元3级De Bruijn序列彩色结构光编码标定图像投影到理想投影平面上，生成调制后投影标定图像；
步骤3、计算机通过摄像机拍摄步骤2生成的调制后投影标定图像，得到彩色结构光编码标定图片，确保彩色结构光编码标定图片中的彩色条纹的顺序与De Bruijn序列彩色结构光编码标定图像中彩色条纹的顺序一致；
步骤4、计算机采用传统的canny算法提取步骤3得到的彩色结构光编码标定图片中每条彩色条纹的上边界和下边界，再计算每条彩色条纹的上边界和下边界的中间位置，得到每条彩色条纹的中心彩色条纹；设共得到m条中心彩色条纹，每条中心彩色条纹有n个像素点；在m行上依次排列每条彩色条纹的n个像素点，得到由这些像素点构成的m´n阶矩阵Z；设像素点Z（i,j）在彩色结构光编码标定图片中的位置坐标用(X(i,j),Y(i,j))表示，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n；
步骤5、保持摄像机和投影机的相对位置和姿态、设置的参数不变，设理想投影平面的位置记为P，将理想的投影平面移出摄像机的视场，将彩色待测物体放置在位置P处；
步骤6、计算机通过摄像机拍摄彩色待测物体，得到彩色待测物体本征颜色图像；
步骤7、构造矩阵Z1，Z1(i,j)是矩阵Z1的第i行，第j列元素，Z1(i,j)为彩色待测物体本征颜色信息图像中在位置（X(i,j),Y(i,j)）处的像素点，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n；
步骤8、设R（i，j）、G（i，j）、B（i，j）分别为像素点Z1(i,j)的RGB值，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n；
步骤9、构造矩阵D，D(i,j,x)可由下式表示，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n，x=1,2,3,4,5,6,7；
步骤10、构造矩阵N，N(i,x)是矩阵N的第i行，第x列元素，N(i，x)=0，i=1,2,…,m，x=1,2,3,4,5,6,7；
步骤11、设D（i，j，q）是｛D（i，j，1），D（i，j，2），D（i，j，3），D（i，j，4），D（i，j，5），D（i，j，6），D（i，j，7）｝中的最小值且q值最小，那么N(i,q)=N(i,q)+1,i=1,2,…,m，j=1,2,…,n；
步骤12、构造矩阵W，W(i,j)是矩阵W的第i行，第j列元素，W(i,j)表示物体的本征颜色信息与颜色ax的干扰概率，i=1,2,…,7，j=1,2,…,7；对于固定的i，；
步骤13、构造矩阵H，H(i,x)是矩阵H的第i行，第x列元素，H(i，x)=N（i，1）/n*W(x,1)+ N（i，2）/n*W(x,2)+ N（i，3）/n*W(x,3)+ N（i，4）/n*W(x,4)+ N（i，5）/n*W(x,5)+ N（i，6）/n*W(x,6)+N（i，7）/n*W(x,7)，i=1,2,…,m；
步骤14、构造颜色向量C，元素C(i)表示自适应De Bruijn彩色结构光编码图像中第i条彩色条纹的颜色，设第i条彩色条纹的颜色的RGB值分别用RC(i)，Gc(i)，Bc(i)表示；颜色向量C的构造方法如下：
设H（1，q1）是｛H（1，1），H（1，2），H（1，3），H（1，4），H（1，5），H（1，6），H（1，7）｝中的最小值且q1值最小，那么RC(1)=rq1，GC(1)=gq1，BC(1)=bq1；
设q2不等于q1，而且H（2，q2）是矩阵H第2行元素中不包含H（2，q1）的元素中最小值且q2值最小，那么RC(2)=rq2，GC(2)=gq2，BC(2)=bq2；
分别对于i=3,4，…m，将H（i，1），H（i，2），H（i，3），H（i，4），H（i，5），H（i，6），H（i，7）按照从小到大的顺序排序；
按照排序的结果，从小到大依次判断：如果颜色aq3和颜色C（i-1）不同，且由颜色C（i-2）、颜色C（i-1）、颜色aq3构成的组合是自适应De Bruijn彩色结构光编码图像中现有的任意相邻的三条彩色条纹的颜色的组合都不相同，那么RC(i)=rq3，GC(i)=gq3，BC(i)=bq3；
利用以上步骤可以得到自适应De Bruijn彩色结构光编码图像。
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