CN108332670B - 一种融合rgb通道正反格雷码及条纹块平移的结构光系统编码方法 - Google Patents

一种融合rgb通道正反格雷码及条纹块平移的结构光系统编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种融合RGB通道正反格雷码及条纹块平移的结构光系统编码方法，首先采用二进制格雷码编码方法，对被测区域进行粗略划分，然后采用条纹块平移方法对被测区域进行细分，并在RGB颜色通道上进行编码，减少了编码图像数量，同时采用正反编码思想，消除散射效应带来的误差。本发明的编码方法相比于其他时间编码方法具有较少的投影数量和较高的测量精度，同时避免了被测物体表面颜色对测量结果的影响，解码操作简单，具有强鲁棒性。

Description

一种融合RGB通道正反格雷码及条纹块平移的结构光系统编 码方法
技术领域
本发明涉及三维物体测量领域，具体涉及一种融合RGB通道正反格雷码及条纹块平移的结构光系统编码方法。
背景技术
结构光三维测量技术是一种非接触式的主动投影测量技术，具有测量精度高，应用场景广泛，抗干扰能力强，操作简单等优势，是一种理想的三维测量方法。结构光三维测量系统主要设备包括投影仪和摄像机两个部分，如图1所示，投影仪将带有编码信息的图像投影到被测物体上，摄像机对物体进行拍摄，通过对被调制的图像进行解码，可以运算出被测物体的高度信息，实现三维测量。
编码方法对于结构光三维测量系统的准确性和精度起到了决定性作用，其可分为空间编码和时间编码两大类。空间编码方法一般投影一幅包含复杂信息的图像以进行测量，适合用于动态检测，但测量精度和准确性不高；时间编码方法则投影多幅具有互相联系的图像以进行检测，具有高精度测量结果，但是只适合于静态检测，同时由于需要投影多幅图像，测量耗时较长。为了在保证高精度的测量结果的同时，减少测量时间，需要提出新的编码方法，来进行优化改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种融合RGB通道正反格雷码及条纹块平移的结构光系统编码方法，该方法能够在在减少测量时间的同时保证高的测量精度，具体技术方案如下：
一种融合RGB通道正反格雷码及条纹块平移的结构光系统编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)使用格雷码编码方式获得正向格雷码编码序列，对正向格雷码编码取反，获得反向格雷码编码序列；采用彩色图像进行投影，将投影图像的RGB颜色通道进行区分，根据正向和反向格雷码编码序列，分别在每个颜色通道上进行二值格雷码编码，获得RGB通道正反格雷码编码图像；
(b)使用n位二进制格雷码将检测区域划分成2n个最小单元，对每一个最小单元内部，采用固定宽度为m的条纹块在投影图像上进行平移，获取条纹块投影序列，然后对该条纹块投影序列进行取反操作，获取反向条纹块投影序列；分别将正、反条纹块投影序列分配至投影图像的三个颜色通道中，获取编码图像；
(c)对每幅编码图像进行RGB颜色通道合并，获得编码后的彩色投影图像，即完成编码。
进一步地，所述的步骤(a)具体如下：
(1)使用n位二进制格雷码的编码方式，对投影图像进行时间编码，将格雷码的每一位提取出来，得到n个正向格雷码编码序列，记为∑1＝{S1，S2...Sn}；
(2)将上一步获得的n个正向格雷码编码序列∑1取反，即将1变为0,0变为1，得到n个反向格雷码编码序列，记为
Figure BDA0001571653350000021
(3)采用彩色图像进行投影，对每一幅投影图像的RGB颜色通道进行区分，限制每个通道的像素值只取0或者255，并记第i幅投影图像的三通道序列分别为Ri通道、Gi通道、Bi通道；
(4)分别将正向格雷码序列和反向格雷码序列按照固定顺序放置于投影图像的三个通道中，0对应于0像素值，1对应于255像素值；所述的固定顺序具体为：首先分配∑1，按照R通道→G通道→B通道的顺序进行分配，即将S1分配至R1通道，将S2分配至G1通道，将S3分配至B1通道，将S4分配至R2通道，以此类推，直至分配完毕，记此时分配了k幅图像；然后分配
Figure BDA0001571653350000022
按照G通道→B通道→R通道的顺序进行分配，即将
Figure BDA0001571653350000023
分配至Gk+1通道，将
Figure BDA0001571653350000024
分配至Bk+1通道，将
Figure BDA0001571653350000025
分配至Rk+1通道，将
Figure BDA0001571653350000026
分配至Gk+2通道，以此类推，直至分配完毕，共分配2k幅RGB通道正反格雷码编码图像。
进一步地，所述的步骤(b)中，分别将正、反条纹块投影序列分配至投影图像的三个颜色通道中，获取编码图像的具体步骤如下：将宽度为m的条纹块在投影图像上进行平移，获得m个正向条纹块序列，然后对该正向条纹块序列进行取反操作，获得m个反向条纹块序列，分别记为T1～Tm及Tm+1～T2m，将正、反条纹块序列分配至投影图像的三个通道中，0对应于0像素值，1对应于255像素值，即将T1分配至R2k+1通道，将T2分配至G2k+1通道，将T3分配至B2k+1通道，将T4分配至R2k+2通道，以此类推，直至分配完毕，共分配
Figure BDA0001571653350000027
幅编码图像。
进一步地，步骤(b)中所述的固定宽度为m取3～6。
进一步地，所述的步骤(b)中所述的固定宽度为m取4。
本发明的有益效果如下：
(1)当需要获取高分辨率编码图像时，相对于同等精度的二值编码方法，本发明的方法需要的投影图像更少，减少了测量时间；
(2)本发明的方法中每个像素值的编码都是唯一的，可以根据编码直接得到解码信息，无需进行相位展开过程，简化解码步骤，减少测量耗时；
(3)本发明的方法采用正反编码方式，且互补的每一组正反编码均在不同颜色的通道中，有效避免了被测物体表面颜色对测量结果带来的误差；
(4)本发明的方法中各个颜色通道采用二值编码，有效避免了被测物体表面反射率变化对测量结果带来的误差，具有较高的鲁棒性。
附图说明
图1为结构光三维测量系统的结构示意图；
图2为本发明的正向格雷码RGB通道编码及编码后的图像的示意图；
图3为本发明的反向格雷码RGB通道编码及编码后的图像的示意图；
图4为本发明的条纹块平移编码及编码后的图像的示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。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。
此处以二进制编码位数n＝3，条纹块宽度m＝4，获取分辨率为32的结构光系统编码图像为例对本发明的编码方法进行说明。
一种融合RGB通道正反格雷码及条纹块平移的结构光系统编码方法，包括以下步骤：
1)使用3位二进制格雷码的编码方式，对投影图像进行时间编码，将格雷码的每一位提取出来，得到3个正向格雷码编码序列，记为：S1＝00001111，S2＝00111100，S3＝01100110；
由于光的散射效应，亮度大的编码会向亮度小的编码处发生散射，从而产生误差，因此考虑投影正反两幅图像，对散射效应进行补偿，可以较好地提高精度；
2)将上一步获得的3个正向格雷码编码序列取反，即将1变为0,0变为1，得到3个反向格雷码编码序列，记为
Figure BDA0001571653350000031
为获取分辨率为32的结构光系统编码图像，需要对步骤1)和2)获得的格雷码编码序列进行4倍扩充，即对序列中的每一个元素，扩展成为4个相同的元素；
3)采用彩色图像进行投影，对每一幅投影图像的RGB颜色通道进行区分，限制每个通道的像素值只取0或者255，并记第i幅投影图像的三通道序列分别为Ri通道、Gi通道、Bi通道，分别在这三个通道中，对彩色图像进行编码；
4)分别将正向格雷码序列和反向格雷码序列按照固定顺序放置于投影图像的三个通道中，0对应于0像素值，1对应于255像素值；所述的固定顺序具体为：首先分配正向格雷码序列，按照R通道→G通道→B通道的顺序进行分配，即将S1分配至R1通道，将S2分配至G1通道，将S3分配至B1通道；然后分配反向格雷码序列，按照G通道→B通道→R通道的顺序进行分配，即将
Figure BDA0001571653350000032
分配至G2通道，将
Figure BDA0001571653350000033
分配至B2通道，将
Figure BDA0001571653350000034
分配至R2通道，共分配2幅RGB通道正反格雷码编码图像，如图2和图3所示(已将彩色图像进行灰度显示)，按照此投影可以得到8分辨率的投影图像。
若仅采用格雷码编码方式，则会使最后的编码图像条纹宽度过窄(有可能产生为宽度为1个像素的黑白相间条纹)，解码时进行边缘提取显然具有较大的误差，因此，本发明在采用格雷码编码图像的基础上，采用条纹块平移方法获取更高的分辨率。
5)使用3位二进制格雷码将检测区域划分成8个最小单元，对每一个最小单元内部，采用宽度为4的条纹块在投影图像上进行平移，获得4个正向条纹块序列，记为T1～T4；为了消除散射效应带来的误差，仍采用反向投影的思想，将条纹块平移投影编码序列取反，获得4个反向条纹块序列，记为T5～T8；记[T]n＝TTT...T，即序列T重复n次，则T1＝[11110000]4，T2＝[01111000]4，T3＝[00111100]4，T4＝[00011110]4；T5＝[00001111]4，T6＝[10000111]4，T7＝[11000011]4，T8＝[11100001]4。
将正、反条纹块序列分配至投影图像的三个通道中，0对应于0像素值，1对应于255像素值，将T1分配至R3通道，将T2分配至G3通道，将T3分配至B3通道，将T4分配至R4通道，将T5分配至G4通道，将T6分配至B4通道，将T7分配至R5通道，将T8分配至G5通道，共分配3幅编码图像，如图4所示(已将彩色图像进行灰度显示)，其中图4(a)为分配的第一幅编码图像，图4(b)为分配的第二幅图像，图4(c)为分配的第三幅图像。按照此投影方式可在格雷码编码图像的基础上获取的更高的分辨率。
6)对每幅编码图像进行RGB颜色通道合并，获得编码后的彩色投影图像，即完成编码。
若要获得更高分辨率的编码图像，可采用本发明的方法，在获取正反格雷码编码序列时采用更多位数的二进制编码。
按照本发明的方法获取编码后的彩色投影图像后，再将编码后的彩色投影图像依次投影，并进行解码操作，即可获取被测物体的三维图像。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种融合RGB通道正反格雷码及条纹块平移的结构光系统编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)使用格雷码编码方式获得正向格雷码编码序列，对正向格雷码编码取反，获得反向格雷码编码序列；采用彩色图像进行投影，将投影图像的RGB颜色通道进行区分，根据正向和反向格雷码编码序列，分别在每个颜色通道上进行二值格雷码编码，获得RGB通道正反格雷码编码图像，具体如下：
(1)使用n位二进制格雷码的编码方式，对投影图像进行时间编码，将格雷码的每一位提取出来，得到n个正向格雷码编码序列，记为∑1＝{S1，S2...Sn}；
(2)将上一步获得的n个正向格雷码编码序列∑1取反，即将1变为0,0变为1，得到n个反向格雷码编码序列，记为
Figure FDA0002309327020000011
(3)采用彩色图像进行投影，对每一幅投影图像的RGB颜色通道进行区分，限制每个通道的像素值只取0或者255，并记第i幅投影图像的三通道序列分别为Ri通道、Gi通道、Bi通道；
(4)分别将正向格雷码序列和反向格雷码序列按照固定顺序放置于投影图像的三个通道中，0对应于0像素值，1对应于255像素值；所述的固定顺序具体为：首先分配∑1，按照R通道→G通道→B通道的顺序进行分配，即将S1分配至R1通道，将S2分配至G1通道，将S3分配至B1通道，将S4分配至R2通道，以此类推，直至分配完毕，记此时分配了k幅图像；然后分配
Figure FDA0002309327020000012
按照G通道→B通道→R通道的顺序进行分配，即将
Figure FDA0002309327020000015
分配至Gk+1通道，将
Figure FDA0002309327020000016
分配至Bk+1通道，将
Figure FDA0002309327020000013
分配至Rk+1通道，将
Figure FDA0002309327020000014
分配至Gk+2通道，以此类推，直至分配完毕，共分配2k幅RGB通道正反格雷码编码图像；
(b)使用n位二进制格雷码将检测区域划分成2n个最小单元，对每一个最小单元内部，采用固定宽度为m的条纹块在投影图像上进行平移，获取条纹块投影序列，然后对该条纹块投影序列进行取反操作，获取反向条纹块投影序列；分别将正、反条纹块投影序列分配至投影图像的三个颜色通道中，获取编码图像，具体如下：
分别将正、反条纹块投影序列分配至投影图像的三个颜色通道中，获取编码图像的具体步骤如下：将宽度为m的条纹块在投影图像上进行平移，获得m个正向条纹块序列，然后对该正向条纹块序列进行取反操作，获得m个反向条纹块序列，分别记为T1～Tm及Tm+1～T2m，将正、反条纹块序列分配至投影图像的三个通道中，0对应于0像素值，1对应于255像素值，即将T1分配至R2k+1通道，将T2分配至G2k+1通道，将T3分配至B2k+1通道，将T4分配至R2k+2通道，以此类推，直至分配完毕，共分配幅编码图像；
(c)对每幅编码图像进行RGB颜色通道合并，获得编码后的彩色投影图像，即完成编码。
2.根据权利要求1所述的结构光系统编码方法，其特征在于，所述的步骤(b)中所述的固定宽度为m取3～6。
3.根据权利要求2所述的结构光系统编码方法，其特征在于，所述的步骤(b)中所述的固定宽度为m取4。
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