CN107657646B - 一种半伪随机编码图案及其生成方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半伪随机编码图案及其生成方法和系统，其中半伪随机编码图案包括固定色块和随机色块，所述固定色块和随机色块在行和列上均相隔排列，形成一个M×N像素的随机阵列，所述固定色块包括颜色固定的多种色块。本发明一种半伪随机编码图案具有以下特点，1、特定大小的窗口内特征的唯一性，会极大的减少误匹配的可能性；2、角点分布均匀性，避免了任何位置均为随机色块生成而导致大片地方是白色或者黑色，因此，整个编码图案中由黑色块和白色块相交所产生的角点就比较均匀，将之与灰度匹配相结合，匹配的像对数相对稳定，有利于提高立体匹配成功率和效率。

Description

一种半伪随机编码图案及其生成方法和系统

技术领域

本发明涉及伪随机编码领域，具体涉及一种半伪随机编码图案及其生成方法和系统。

背景技术

伪随机序列是由本原多项式指定的移位寄存器产生，具有随机性的伪随机性序列通过预先构作的方法构成伪随机阵列。该伪随机编码的原理技术除了广泛应用于通信控制领域之外，也在编码投影系统中得到使用，来解决传统视觉理论匹配难问题。

在三维建模过程中，对于一些缺乏纹理特性及表面特征稀少的场景重建比较困难，而伪随机编码图案通过投影仪透射到被重建对象表面，为这些缺乏或者稀少的纹理对象增加额外的附加特征，提高重构精度，双目编码结构光三维重构法就是应用此原理。采用伪随机编码图案的结构光三维重构技术的最大优势是容易进行图像匹配。由于伪随机阵列具有窗口唯一特性，可用来表征三维场景中物体的表面信息。把摄像机得到的伪随机编码图像转换为其独有特征形式，构造子序列，通过寻找子序列在原投影序列中的位置定位特征点，可得到特征点在摄像机与投影仪坐标系之间的对应关系，这一过程称为伪随机编码图像的特征匹配。编码图像中子序列匹配的运算速度直接影响三维重构的快慢。

采用伪随机编码图案，容易改变编码图案以适应不同类型的编码模型。在机器视觉与数字近景摄影测量三维重建应用中，基于伪随机编码原理，利用伪随机序列生成黑白或彩色伪随机编码图案，图案样式不一。将所生成的伪随机编码图案作为影像匹配的对象，可以弥补所重建对象本身纹理不丰富的缺陷，但是现有的黑白类型的伪随机编码图案一般都是基于全伪随机序列，生成的图案会存在大片的黑色或者白色的区域，在这样的区域内缺乏角点信息，是不利于影像匹配的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种半伪随机编码图案及其生成方法和系统，可以减少影像匹配的误匹配率，提高影像匹配的成功率与效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种半伪随机编码图案，包括固定色块和随机色块，所述固定色块和随机色块在行和列上均相隔排列，形成一个M×N像素的随机阵列，所述固定色块包括颜色固定的多种色块。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述固定色块具体为颜色固定的白色块或黑色块，所述随机色块具体为颜色随机的白色块或黑色块，且同一行或同一列中的固定色块的颜色相同，相邻两行或相邻两列中的固定色块的颜色不同。

进一步，所述白色块和黑色块的宽度均为w个像素，高度均为h个像素。

进一步，在所述随机阵列中，奇数行由黑色块和随机色块依次相隔排列组成，偶数行由随机色块和白色块依次相隔排列组成。

本发明的有益效果是：本发明一种半伪随机编码图案具有以下特点，

1、特定大小的窗口内特征的唯一性：在任意相邻的N_x行内具有N_xXN_y的窗口唯一性，将之与灰度匹配相结合，可解决灰度匹配中难以确定窗口大小的难度，可以将灰度匹配的窗口大小设为半伪随机编码内容唯一的窗口大小，半伪随机码具有的窗口特性会极大的减少误匹配的可能性；

2、角点分布均匀性：半伪随机编码图案中，在每行间隔位置设定了黑色块或者白色块，这就避免了任何位置均为随机色块生成而导致大片地方是白色或者黑色，因此，整个编码图案中由黑色块和白色块相交所产生的角点就比较均匀，将之与灰度匹配相结合，匹配的像对数相对稳定，有利于提高立体匹配成功率和效率。

基于上述一种半伪随机编码图案，本发明还提供一种半伪随机编码图案生成方法。

一种如上述所述的一种半伪随机编码图案生成方法，包括以下步骤，

S1，根据伪随机序列原理，生成由固定色块和随机色块依次相隔排列的一行N列像素的随机图案；

S2，根据伪随机序列原理，生成由随机色块和固定色依次相隔排列的相邻的另一行N列像素的随机图案；

S3，重复循环执行S1和S2，直至生成一个M×N像素的随机阵列；

其中，一行随机图案中的固定色块的颜色和相邻的另一行随机图案中的固定色块的颜色不相同。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述S1具体为，根据伪随机序列原理，生成由黑色块和随机色块依次相隔排列的一行N列像素的随机图案；

所述S2具体为，根据伪随机序列原理，生成由随机色块和黑色块依次相隔排列的相邻的另一行N列像素的随机图案。

进一步，所述随机色块由本原多项式h(x)＝x^m+k_m-1x^m-1+...+k₂x²+k₁x+k_o指定的移位寄存器产生的；

其中，本原多项式中的系数k_c(c＝0,1,2...m-1)是GF(q)＝{0,1,A,A²,...,A^q-2}域中的元素，A为本原；移位寄存器输出周期为n＝q^m-1的一个伪随机序列，其中m为存储器个数，q为存储器状态数，且q＝2。

进一步，所述随机色块基于随机数函数f_sr产生的随机数得到；当产生的随机数为0时，为所述随机色块对应的像素赋予黑色灰度值；当产生的随机数为1时，为所述随机色块对应的像素赋予白色灰度值。

本发明的有益效果是：采用本发明一种半伪随机编码图案生成方法生成的半伪随机编码图案具有以下特点，

1、特定大小的窗口内特征的唯一性：在任意相邻的N_x行内具有N_xXN_y的窗口唯一性，将之与灰度匹配相结合，可解决灰度匹配中难以确定窗口大小的难度，可以将灰度匹配的窗口大小设为半伪随机编码内容唯一的窗口大小，半伪随机码具有的窗口特性会极大的减少误匹配的可能性；

2、角点分布均匀性：半伪随机编码图案中，在每行间隔位置设定了黑色块或者白色块，这就避免了任何位置均为随机色块生成而导致大片地方是白色或者黑色，因此，整个编码图案中由黑色块和白色块相交所产生的角点就比较均匀，将之与灰度匹配相结合，匹配的像对数相对稳定，有利于提高立体匹配成功率和效率。

基于上述一种半伪随机编码图案，本发明还提供一种半伪随机编码图案生成系统。

一种如上述所述的一种半伪随机编码图案生成系统，包括固定色块生成模块、随机色块生成模块和排列组合模块，

所述固定色块生成模块，其用于生成颜色固定的固定色块；

所述随机色块生成模块，其用于生成颜色随机的随机色块；

所述排列组合模块，其用于将所述固定色块生成模生成的固定色块和所述随机色块生成模块生成的随机色块在行和列上均相隔排列，组合形成一个M×N像素的随机阵列。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述固定色块生成模块具体用于生成颜色固定的黑色块或白色块；

所述随机色块生成模块具体用于生成颜色随机的黑色块或白色块。

本发明的有益效果是：采用本发明一种半伪随机编码图案生成系统生成的半伪随机编码图案具有以下特点，

1、特定大小的窗口内特征的唯一性：在任意相邻的N_x行内具有N_xXNy的窗口唯一性，将之与灰度匹配相结合，可解决灰度匹配中难以确定窗口大小的难度，可以将灰度匹配的窗口大小设为半伪随机编码内容唯一的窗口大小，半伪随机码具有的窗口特性会极大的减少误匹配的可能性；

2、角点分布均匀性：半伪随机编码图案中，在每行间隔位置设定了黑色块或者白色块，这就避免了任何位置均为随机色块生成而导致大片地方是白色或者黑色，因此，整个编码图案中由黑色块和白色块相交所产生的角点就比较均匀，将之与灰度匹配相结合，匹配的像对数相对稳定，有利于提高立体匹配成功率和效率。

附图说明

图1为本发明一种半伪随机编码图案的原理图；

图2-1为本发明一种半伪随机编码图案中白色块的大小示意图；

图2-2为本发明一种半伪随机编码图案中黑色块的大小示意图；

图3为本发明一种半伪随机编码图案的结构示意图；

图4为图3的局部放大图；

图5为本发明一种半伪随机编码图案的原理分析图；

图6为本发明一种半伪随机编码图案生成方法的流程图；

图7为本发明一种半伪随机编码图案生成系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种半伪随机编码图案，包括固定色块和随机色块，所述固定色块和随机色块在行和列上均相隔排列，形成一个M×N像素的随机阵列，所述固定色块包括颜色固定的多种色块。

在本具体实施例中，所述固定色块具体为颜色固定的白色块或黑色块，所述随机色块具体为颜色随机的白色块或黑色块，且同一行或同一列中的固定色块的颜色相同，相邻两行或相邻两列中的固定色块的颜色不同。所述白色块和黑色块的宽度均为w个像素，高度均为h个像素。

具体的，在所述随机阵列中，奇数行由黑色块和随机色块依次相隔排列组成，偶数行由随机色块和白色块依次相隔排列组成。

伪随机序列是由本原多项式h(x)＝x^m+k_m-1x^m-1+...+k₂x²+k₁x+k_o指定的移位寄存器产生的，本原多项式中的系数是GF(q)＝{0,1,A,A²,...,A^q-2}域中的元素，A为本原。移位寄存器可以输出周期为n＝q^m-1的一个伪随机序列，其中m为存储器个数，q为存储器状态数。本发明中，针对灰度相机的拍摄要求，设置灰度随机图案。在原有伪随机编码的理论基础上，设置q＝2，则只含有两个基元，两个基元为黑和白。

根据投影仪投影尺寸的大小，设置M行乘N列的随机阵列，每行每列是基于像素级别的，也就是M行乘N列像素的随机阵列。编码图案生成原理是固定位置设定为白色和黑色，其他随机的位置设定为随机颜色，及为随机的黑色块或白色块。黑色块、白色块或者随机色块的宽度均为w个像素，高度均为h个像素，如图2-1和2-2所示。

半伪随机编码图案的黑色块、白色块及随机色块的分布如图1所示。每行有间隔固定的黑色或者白色，第一行从黑色块开始，黑色块宽为w个像素格、高为h个像素格，每间隔一个随机色块(宽w个像素格、高为h个像素格)再设定为黑色块，即第一行最开始为黑色块，之后在该行上随机色块与黑色块间隔依次排列；第二行从随机色块开始，随机色块宽为w个像素格、高为h个像素格，每间隔一个白色块(宽w个像素格、高为h个像素格)再设定为随机色块，即第二行最开始为随机色块，之后在该行上白色块与随机色块间隔依次排列；按照第一行和第二行的随机图案生成规律，之后的行按照以上规律如此反复，最终生成M行乘N列像素的随机阵列。

其中，黑色块是将宽为w个像素、高为h个像素，即w x h个像素的灰度值设定为黑色值rgb(0,0,0)；白色块是将w个像素、高为h个像素，即w x h个像素的灰度值设定为白色值rgb(255,255,255)；随机生成的黑色块或者白色块，是基于随机数函数f_sr产生的随机数得到，当产生的随机数为0时，为该像素赋予黑色灰度值rgb(0,0,0)；当产生的随机数为1时，为该像素赋予白色灰度值rgb(255,255,255)，如下式所示。

在图1中，随机生成的随机色块和固定生成的固定色块构成每一行像素的图案，而不全是由伪随机序列生成的图案构成，因此，这种生成方式生成的图案称为半伪随机编码图案。该半伪随机编码图案在N_xXN_y的像素窗口内具有特征的唯一性，即以N_xXN_y的像素窗口为基准，在该N_xXN_y的随机阵列里移动，不能找到与之图案完全相同的窗口。

图3是本发明一种半伪随机编码图案的整体效果图，其中黑色块、白色块及随机色块大小均为4x4像素大小，根据伪随机序列原理，自设定的黑色块、白色块及随机色块的排列方式，自设定三种色块的像素个数，生成如图3所示的半伪随机编码图案。图4是对图3放大的局部图。

对于图4中呈现的半伪随机编码图案局部放大图，在图5中进行了编码分析。黑色块、白色块及随机色块都是由4x4像素大小构成，每一行中黑色块与随机色块间隔出现，亦或每一行随机色块与白色块间隔出现。这样保证不会出现大片是白色或者是黑色的图案情况，有效增加图案角点的个数，大大增加图案识别及匹配的准确率和效率。

本发明一种半伪随机编码图案具有以下特点，

1、特定大小的窗口内特征的唯一性：在任意相邻的N_x行内具有N_xXN_y的窗口唯一性，将之与灰度匹配相结合，可解决灰度匹配中难以确定窗口大小的难度，可以将灰度匹配的窗口大小设为半伪随机编码内容唯一的窗口大小，半伪随机码具有的窗口特性会极大的减少误匹配的可能性；

2、角点分布均匀性：半伪随机编码图案中，在每行间隔位置设定了黑色块或者白色块，这就避免了任何位置均为随机色块生成而导致大片地方是白色或者黑色，因此，整个编码图案中由黑色块和白色块相交所产生的角点就比较均匀，将之与灰度匹配相结合，匹配的像对数相对稳定，有利于提高立体匹配成功率和效率。

半伪随机编码图案以其角点个数相对稳定、分布均匀的特点，可以应用于重建纹理不是很丰富的三维物体，作为投影物体表面的图案。本发明的半伪随机编码图案可以应用到白光扫描设备中。

基于上述一种半伪随机编码图案，本发明还提供一种半伪随机编码图案生成方法。

如图6所示，一种半伪随机编码图案生成方法，包括以下步骤，

S1，根据伪随机序列原理，生成由固定色块和随机色块依次相隔排列的一行N列像素的随机图案；

S2，根据伪随机序列原理，生成由随机色块和固定色依次相隔排列的相邻的另一行N列像素的随机图案；

S3，重复循环执行S1和S2，直至生成一个M×N像素的随机阵列；

其中，一行随机图案中的固定色块的颜色和相邻的另一行随机图案中的固定色块的颜色不相同。

具体的：

所述S1具体为，根据伪随机序列原理，生成由黑色块和随机色块依次相隔排列的一行N列像素的随机图案；

所述S2具体为，根据伪随机序列原理，生成由随机色块和黑色块依次相隔排列的相邻的另一行N列像素的随机图案。

所述随机色块由本原多项式h(x)＝x^m+k_m-1x^m-1+...+k₂x²+k₁x+k_o指定的移位寄存器产生的；

其中，本原多项式中的系数k_c(c＝0,1,2...m-1)是GF(q)＝{0,1,A,A²,...,A^q-2}域中的元素，A为本原；移位寄存器输出周期为n＝q^m-1的一个伪随机序列，其中m为存储器个数，q为存储器状态数，且q＝2。

所述随机色块基于随机数函数f_sr产生的随机数得到；当产生的随机数为0时，为所述随机色块对应的像素赋予黑色灰度值；当产生的随机数为1时，为所述随机色块对应的像素赋予白色灰度值。

采用本发明一种半伪随机编码图案生成方法生成的半伪随机编码图案具有以下特点，

1、特定大小的窗口内特征的唯一性：在任意相邻的N_x行内具有N_xXN_y的窗口唯一性，将之与灰度匹配相结合，可解决灰度匹配中难以确定窗口大小的难度，可以将灰度匹配的窗口大小设为半伪随机编码内容唯一的窗口大小，半伪随机码具有的窗口特性会极大的减少误匹配的可能性；

2、角点分布均匀性：半伪随机编码图案中，在每行间隔位置设定了黑色块或者白色块，这就避免了任何位置均为随机色块生成而导致大片地方是白色或者黑色，因此，整个编码图案中由黑色块和白色块相交所产生的角点就比较均匀，将之与灰度匹配相结合，匹配的像对数相对稳定，有利于提高立体匹配成功率和效率。

基于上述一种半伪随机编码图案，本发明还提供一种半伪随机编码图案生成系统。

如图7所示，一种半伪随机编码图案生成系统，包括固定色块生成模块、随机色块生成模块和排列组合模块，

所述固定色块生成模块，其用于生成颜色固定的固定色块；

所述随机色块生成模块，其用于生成颜色随机的随机色块；

所述排列组合模块具体用于将所述固定色块生成模生成的固定色块和所述随机色块生成模块生成的随机色块在行和列上均相隔排列，组合形成一个M×N像素的随机阵列。

具体的：

所述固定色块生成模块具体用于生成颜色固定的黑色块或白色块；

所述随机色块生成模块，其用于生成颜色随机的黑色块或白色块。

采用本发明一种半伪随机编码图案生成系统生成的半伪随机编码图案具有以下特点，

1、特定大小的窗口内特征的唯一性：在任意相邻的N_x行内具有N_xXN_y的窗口唯一性，将之与灰度匹配相结合，可解决灰度匹配中难以确定窗口大小的难度，可以将灰度匹配的窗口大小设为半伪随机编码内容唯一的窗口大小，半伪随机码具有的窗口特性会极大的减少误匹配的可能性；

2、角点分布均匀性：半伪随机编码图案中，在每行间隔位置设定了黑色块或者白色块，这就避免了任何位置均为随机色块生成而导致大片地方是白色或者黑色，因此，整个编码图案中由黑色块和白色块相交所产生的角点就比较均匀，将之与灰度匹配相结合，匹配的像对数相对稳定，有利于提高立体匹配成功率和效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种半伪随机编码图案生成方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1，根据伪随机序列原理，生成由固定色块和随机色块依次相隔排列的一行N列像素的随机图案；

S2，根据伪随机序列原理，生成由随机色块和固定色依次相隔排列的相邻的另一行N列像素的随机图案；

S3，重复循环执行S1和S2，直至生成一个M×N像素的随机阵列；

其中，所述固定色块包括颜色固定的多种色块，一行随机图案中的固定色块的颜色和相邻的另一行随机图案中的固定色块的颜色不相同，所述固定色块和随机色块在行和列上均相隔排列。

2.根据权利要求1所述的一种半伪随机编码图案生成方法，其特征在于：所述S1具体为，根据伪随机序列原理，生成由黑色块和随机色块依次相隔排列的一行N列像素的随机图案；

所述S2具体为，根据伪随机序列原理，生成由随机色块和黑色块依次相隔排列的相邻的另一行N列像素的随机图案。

3.根据权利要求1或2所述的一种半伪随机编码图案生成方法，其特征在于：所述随机色块由本原多项式h(x)＝x^m+k_m-1x^m-1+...+k₂x²+k₁x+k_o指定的移位寄存器产生的；

其中，本原多项式中的系数k_c，c＝0,1,2...m-1，k_c是GF(q)＝{0,1,A,A²,...,A^q-2}域中的元素，A为本原；移位寄存器输出周期为n＝q^m-1的一个伪随机序列，其中m为存储器个数，q为存储器状态数，且q＝2。

4.根据权利要求3所述的一种半伪随机编码图案生成方法，其特征在于：所述随机色块基于随机数函数f_sr产生的随机数得到；当产生的随机数为0时，为所述随机色块对应的像素赋予黑色灰度值；当产生的随机数为1时，为所述随机色块对应的像素赋予白色灰度值。

5.根据权利要求1所述的一种半伪随机编码图案生成方法，其特征在于：所述固定色块具体为颜色固定的白色块或黑色块，所述随机色块具体为颜色随机的白色块或黑色块，且同一行或同一列中的固定色块的颜色相同，相邻两行或相邻两列中的固定色块的颜色不同。

6.根据权利要求5所述的一种半伪随机编码图案生成方法，其特征在于：所述白色块和黑色块的宽度均为w个像素，高为均为h个像素。

7.根据权利要求5或6所述的一种半伪随机编码图案生成方法，其特征在于：在所述随机阵列中，奇数行由黑色块和随机色块依次相隔排列组成，偶数行由随机色块和白色块依次相隔排列组成。

8.一种半伪随机编码图案生成系统，其特征在于：应用权利要求1至7任一项所述的一种半伪随机编码图案生成方法，包括固定色块生成模块、随机色块生成模块和排列组合模块，

所述固定色块生成模块，其用于生成颜色固定的固定色块；

所述随机色块生成模块，其用于生成颜色随机的随机色块；

所述排列组合模块，其用于将所述固定色块生成模生成的固定色块和所述随机色块生成模块生成的随机色块在行和列上均相隔排列，组合形成一个M×N像素的随机阵列；

其中，所述固定色块包括颜色固定的多种色块，一行随机图案中的固定色块的颜色和相邻的另一行随机图案中的固定色块的颜色不相同，所述固定色块和随机色块在行和列上均相隔排列。

9.根据权利要求8所述的一种半伪随机编码图案生成系统，其特征在于：所述固定色块生成模块具体用于生成颜色固定的黑色块或白色块；

所述随机色块生成模块具体用于生成颜色随机的黑色块或白色块。

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