CN110276810B - 一种结构光散斑编码图案的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构光散斑编码图案的生成方法，包括：选取棋盘格作为基础图案；根据线性反馈移位寄存器生成伪随机序列，并生成相应的伪随机矩阵；根据伪随机矩阵规则，填充所选棋盘格图案中待填充的棋格，将伪随机矩阵重复映射到棋盘格图案中，生成方格码字矩阵；用散斑替代方格码字矩阵中的方格码字，生成散斑码字矩阵；对散斑码字矩阵进行旋转、码字对齐、拼接和周期性延拓，生成结构光散斑编码图案。本发明利用散斑码字代替符号码字，可以减小每个码字的复杂度、码字块的大小，可以改善符号结构光对微小物体的识别能力，同时，利用本发明提出的结构光散斑编码图案进行深度感知，具有较高的测量精度和较好的鲁棒性。

Description

一种结构光散斑编码图案的生成方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉、深度感知和三维重建技术领域，具体涉及主动立体视觉中所投射的用于标记空间的一种结构光编码方法，尤其涉及一种结构光散斑编码图案的生成方法。

背景技术

结构光是一种基于立体视觉重建目标的主动式光学测量技术，通常由红外投射器和红外相机利用三角原理获得深度信息。和其它提取深度信息设备相比，如激光测距仪及声纳测距装置，结构光系统在精度、价格及速度方面具有潜在优势，可广泛用于三维空间测量、深度检测及三维表面恢复。

基于符号阵列的编码结构光技术能较为准确的获取深度信息，还具有不受环境光影响、算法简单、可靠性高等优势，同时符号阵列的空间编码所具有的全局唯一性，使符号阵列的编码结构光技术非常适用于动态场景。但是符号阵列的编码结构光技术在码字选取时，存在码字复杂、单一码字占有像素点数较多的问题，当较小的物体不能被一个完整码字覆盖时，对该物体进行识别时会产生无匹配，使该技术在识别部分较细小物体上存在困难。随机散斑的编码结构光适合块匹配方式实时处理，但存在匹配块大、难以实现误匹配的自校正功能。

发明内容

针对以上不足，本发明提出一种结构光散斑编码图案的生成方法，利用散斑替代码字，形成散斑码字矩阵，并通过翻转、拼接以及周期延拓生成结构光散斑编码图案，可对误匹配进行自校正纠错和对较细小物体进行有效识别。

一种结构光散斑编码图案的生成方法，包括如下步骤：

S100：选取棋盘格作为基础图案；

S200：根据线性反馈移位寄存器生成伪随机序列，并生成相应的伪随机矩阵；

S300：根据伪随机矩阵规则，填充所选棋盘格图案中待填充的棋格，将伪随机矩阵重复映射到棋盘格图案中，生成方格码字矩阵；

S400：用散斑替代方格码字矩阵中的方格码字，生成散斑码字矩阵；

S500：对散斑码字矩阵进行翻转、码字对齐、拼接和周期延拓，生成结构光散斑编码图案；

可选的，所述棋盘格内的棋格按照黑白间隔的方式排列，两相邻同色棋格之间的棋格为待填充棋格；

可选的，所述棋盘格中的一个码字包括1个白色棋格、4个黑色棋格和4个待填充棋格，其中，所述白色棋格为码字中心；

可选的，所述伪随机序列的特征多项式可表示为：

其中，c₀＝c_n＝1，c₁，c₂……，c_n-1表示该多项式生成的线性移位寄存器反馈线路的连接状态，x¹，x²......，xⁿ表示第1到第n级寄存器的状态，且x∈{0，1}；

可选的，所述伪随机序列表示为：{a_k}＝000111101011001000111101011001...，

所述伪随机矩阵表示为：

可选的，所述伪随机矩阵中的元素与所述棋盘格中待填充的棋格一一对应，其中，1代表将该待填充棋格置为白色，0代表将该待填充棋格置为黑色；

可选的，所述方格码字矩阵中的黑色方格用散斑点代替，白色方格作为黑色背景点；

可选的，所述S500包括如下步骤：

S501：将所述步骤S400中生成的散斑码字矩阵分为2个单独的矩阵，并分别上下翻转，并对码字进行对齐处理；

S502：将所述步骤S501中经处理得到的散斑码字矩阵分别拼接到原斑码字矩阵的左右两侧，形成较大尺寸的散斑码字矩阵；

S503：将所生成的较大尺寸的散斑码字矩阵进行周期延拓，最后生成结构光散斑编码图案；

可选的，所述对码字进行对齐是指将分割后的矩阵上下翻转后，把最后一行的矩阵移到第一行；

可选的，所述周期延拓是指将所述较大尺寸的散斑码字矩阵按照所述步骤S501、S502的方式重复进行操作。

相比于现有技术，本发明技术方案带来的技术效果为：

1、通过散斑码字替代符号码字，可以减小每个码字的复杂度和码字块的大小，可以改善符号结构光对微小物体的识别能力；

2、利用本发明技术方案生成的结构光散斑编码图案进行深度感知，具有较高的测量精度和较好的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明实施例的一种结构光散斑编码图案的生成方法流程图；

图2是本发明实施例的初始棋盘格示意图；

图3是本发明实施例的伪随机序列的线性反馈移位寄存器结构示意图；

图4是本发明实施例的伪随机矩阵映射到待填充棋格的示意图；

图5是本发明实施例的散斑码字矩阵生成示意图；

图6是本发明实施例的翻转、周期性延拓得到散斑编码图案的示意图；

图7是本发明实施例最后得到的结构光散斑编码图案示意图；

图8(a)是本发明实施例得到的结构光散斑编码图案投射示意图；

图8(b)是图8(a)经抽象处理后的结构光散斑编码图案的示意图。

具体实施方式

本发明实施例用散斑点替代棋盘格中的每一个码字棋格，形成散斑码字矩阵，最后通过对散斑码字矩阵旋转、拼接以及周期延拓生成结构光散斑编码图案。利用本法明的技术方案可以减小每个码字的复杂度和码字块的大小，并改善符号结构光对微小物体的识别能力；其次，利用本发明得到的结构光散斑编码图案进行深度感知，具有较高的测量精度和较好的鲁棒性。

下面，结合实施例和附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种结构光散斑编码图案生成方法，具体包括如下步骤：

S100：选取棋盘格图案作为基础图案；

S200：根据线性反馈移位寄存器生成伪随机序列，并生成相应的伪随机矩阵；

S300：根据伪随机矩阵规则，填充所选棋盘格图案中待填充的棋格，将伪随机矩阵重复映射到棋盘格图案中，生成方格码字矩阵；

S400：用散斑替代方格码字矩阵中的每一个方格；用散斑替代方格码字，生成散斑码字矩阵；

S500：对散斑码字矩阵进行旋转、拼接，生成较大尺寸的散斑码字矩阵，再进行周期性延拓，最后生成结构光散斑编码图案。

下面结合图1-图8(b)对本发明的具体实施方案进行描述。

一种结构光散斑编码图案的生成方法，包括如下步骤：

S100：选取棋盘格作为基础图案；

在本实施例中，选用棋盘格作为基础图案，具体如图2所示。图案上每个棋盘格内都有一个白色或者黑色的棋格，并且按照黑白间隔的方式周期性排列，两相邻黑色棋格之间或两相邻白色棋格之间的棋格为待填充棋格。

在本实施例所示的棋盘格图案上，一个码字包括1个白色棋格、4个黑色棋格和4个待填充棋格。其中，所示每一个白色棋格表示一个编码码字的中心。

需要本领域技术人员理解的是，本实施例所示棋盘格图案具有严格的周期性并且抗干扰能力强。

S200：根据线性反馈移位寄存器生成伪随机序列，并生成相应的伪随机矩阵；

在本实施例中，用一个2元4阶的特征多项式来形成一个线性移位寄存器，n阶伪随机序列的特征多项式可表示为：

其中，c₀＝c_n＝1，c₁，c₂……，c_n-1表示该多项式生成的线性移位寄存器反馈线路的连接状态，x¹，x²......，Xⁿ表示第₁到第n级寄存器的状态，x∈{0，1}，该伪随机序列的周期为：

p＝2ⁿ-1

为生成2元4阶的伪随机序列，本实施例选择本原多项式为：

f(x)＝x⁴+x+1

进一步地，利用上述本原多项式构成线性反馈移位寄存器，如图3所示。

其中，设初始状态a₃a₂a₁a₀＝1000，由图3所示线性反馈移位寄存器生成周期为p的伪随机序列，如下式：

{a_k}＝000111101011001000111101011001...

在序列{a_k}的一个周期内，每个4阶的子序列只出现一次，将序列{a_k}一个周期内的4阶子序列全部罗列后可以得到下面的伪随机矩阵，矩阵中每个4位2进制子序列都是唯一：

S300：根据伪随机矩阵规则，填充棋盘格图案中待填充的棋格，将矩阵重复映射的棋盘格图案，生成方格码字矩阵；

如图4所示，本实施例将伪随机矩阵重复映射到棋盘格图案中，矩阵中的元素与棋盘格中待填充的棋格一一对应，其中，1代表将该棋格置为白色，0代表将该棋格置为黑色，映射完成后，生成一个没有重复图案的方格码字矩阵。

S400：用散斑替代方格码字矩阵中的方格码字，生成散斑码字矩阵；

在具体实施例中，若采用方格来表示码字属于符号结构光的方式，由于对码字识别的需求，需要将每个码字的中心亮点扩大(如将方格码字中的每个白棋格码字扩大3倍)，以便于区分相邻码字，这会造成将原本只占有4个方格的码字扩大到16个方格，码字的扩大严重影响了对于微小物体的检测，因为对于微小物体很难被完整的码字所覆盖，导致无匹配的产生。

为了提高符号阵列结构光编码对微小物体的识别能力，本发明实施例采用散斑点来替代方格码字，具体如图5所示：用散斑点来代替方格码字矩阵中的黑色方格，将白色方格作为黑色背景点，从而生成散斑码字矩阵。

S500：对散斑码字矩阵进行翻转、码字对齐、拼接和周期性延拓，生成结构光散斑编码图案；

在本实施例中，步骤S400生成的散斑码字矩阵虽然满足每个码字完全不重复，但是矩阵的长度太短，不足以满足深度感知中水平搜索的范围需求，因此，需要对所生成的散斑码字矩阵进行旋转、拼接，进而生成较大尺寸的散斑码字矩阵，再进行周期性延拓，最后生成结构光散斑编码图案。

图6示出了本实施例中的散斑码字矩阵经翻转、周期性延拓得到散斑编码图案的过程，具体步骤如下：

S501：把步骤S400生成的散斑码字矩阵分割为两个单独的矩阵，并分别上下翻转，并对码字进行对齐处理。

在本实施例中，方格码字矩阵中的白色方格为每个码字的中心，如图中白色圆框所示，如果直接将上下翻转后的矩阵拼接到原矩阵上，会引起拼接前后的码字中心错行，因此上下翻转之后，需要对码字进行对齐处理，具体如图中黑色方框所示。

需要理解的是，本实施例中所述对码字进行对齐是指将分割后的散斑码字矩阵上下翻转后，把最后一行的矩阵移到第一行。

S502：将步骤S501中经处理得到的散斑码字矩阵分别拼接到原散斑码字矩阵的左右两侧，形成较大尺寸的散斑码字矩阵；

S503：将步骤S502中所生成的较大尺寸的散斑码字矩阵进行周期延拓，最后生成结构光散斑编码图案。

在本实施例中，需要重复执行步骤S501和S502，将所生成的较大尺寸的散斑码字矩阵进行周期性延拓，最后生成结构光散斑编码图案，具体如图7所示。

进一步地，所述周期性延拓是指将所形成的较大尺寸的散斑码字矩阵按照上述步骤S501和S502中所述的方式重复操作。

图8(a)为本实施例得到的结构光散斑编码图案投射示意图。将图7所示的散斑编码图案周期性重复将得到任意大小的编码图案，将该编码图案用于三维深度映射时，将其旋转成为水平方向码字周期性排列而垂直方向码字在一定范围内互不相同，编码图案经激光投射器以一定的角度投射出，从而确保在水平方向重复的码字中心落在不同垂直坐标上。从图8(a)中可以看出码字A2的中心落在801a所在的垂直坐标上，而与其相邻的两个相同码字A1和A3的中心都没有落在801a的垂直坐标上，而整条801a横线所覆盖的码字图案在一定范围内都没有与A2相同的码字出现，因此该图案符合三角测距原理。

图8(b)抽象表示了图8(a)展示的编码图像符合三角测距的原因。图中每种字母代表一种码字，当编码图案中的码字水平方向上逐一重复，竖直方向上一定范围内没有重复的时候，将该图案旋转一定的角度，则可以看出在同一水平方向上不会出现相同的码字。801b、802b、803b分别代表三个不同的随机选取的垂直坐标，三条横线穿过该编码图案时，相同的字母并没有落在相同的横线上。

通过上述方案，可以获得一个满足一定大小窗口唯一性分布要求的结构光散斑编码图案。本发明提出的利用散斑码字代替符号码字，以减小每个码字的复杂度、码字块的大小，用来改善符号结构光对微小物体的识别能力，同时以编码的方式生成结构光散斑编码图案，具备码字的识别能力，以及码字的纠错功能。通过编码改善了散斑结构光深度感知技术的抗干扰性，利用本发明提出的结构光散斑编码图案进行深度感知，具有较高的测量精度和较好的鲁棒性。

应当理解，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种结构光散斑编码图案的生成方法，包括如下步骤：

S100：选取棋盘格作为基础图案；

S200：根据线性反馈移位寄存器生成伪随机序列，并生成相应的伪随机矩阵；

S300：根据伪随机矩阵规则，填充所选棋盘格图案中待填充的棋格，将伪随机矩阵重复映射到棋盘格图案中，生成方格码字矩阵；

S400：用散斑替代方格码字矩阵中的方格码字，生成散斑码字矩阵；

S500：对散斑码字矩阵进行翻转、码字对齐、拼接和周期性延拓，生成结构光散斑编码图案；其中，

步骤S500包括如下步骤：

S501：将所述步骤S400中生成的散斑码字矩阵分为2个单独的矩阵，并分别上下翻转，并对码字进行对齐处理；所述对码字进行对齐是指将分割后的散斑码字矩阵上下翻转后，把最后一行的矩阵移到第一行；

S502：将所述步骤S501中经处理得到的散斑码字矩阵分别拼接到原散斑码字矩阵的左右两侧，形成较大尺寸的散斑码字矩阵；

S503：将所生成的较大尺寸的散斑码字矩阵进行周期延拓，最后生成结构光散斑编码图案；所述周期性延拓是指将所形成的较大尺寸的散斑码字矩阵按照步骤S501和S502中所述的方式重复操作。

2.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述棋盘格内的棋格按照黑白间隔的方式排列，两相邻同色棋格之间的棋格为待填充棋格。

3.根据权利要求1或2所述的生成方法，其特征在于，所述棋盘格中的一个码字包括1个白色棋格、4个黑色棋格和4个待填充棋格，其中，所述白色棋格为码字中心。

4.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述伪随机序列的特征多项式表示为：

，其中，，表示该多项式生成的线性移位寄存器反馈线路的连接状态，表示第1到第n级寄存器的状态，且。

5.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述方格码字矩阵中的黑色方格用散斑点代替，白色方格作为黑色背景点。

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