CN112991516A - 一种用于三维重建的纹理编码影像生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纹理编码影像的生成方法，包括：步骤1，利用线性反馈移位寄存器生成一串连续的伪随机De Bruijn序列。步骤2，依据对角线法则，利用伪随机De Bruijn序列填充生成M阵列。步骤3，对生成的M阵列裁剪拼接，得到合适尺寸的编码矩阵。步骤4，选择RGB色彩差异大的小矩形块作为特征图案代替编码矩阵中的各基元，生成纹理编码影像。步骤5，在纹理编码影像的四角设计便于提取角点信息的标志。本发明实现了对待测物纹理较少区域的特征增强，且只需单幅影像投影就可以通过解码算法对同名点进行准确定位，完成同名点对的一一匹配，为后续三维信息的恢复提供了高质量的匹配点对数据，提高三维重建的精度和准确性，为运动物体的三维重建提供新的思路。

Description

一种用于三维重建的纹理编码影像生成方法

技术领域

本发明属于结构光三维重建技术研究领域，通过设计含有编码信息的纹理影像，利用结构光的方法，实现快速高精度的三维重建。

背景技术

在过去的关于编码影像的研究中将所有的编码方法分为时序编码、直接编码和空间编码三类，其中时序编码连续地将一系列多张编码图案按照时间的先后顺序依次投影到待测物体表面，直接编码法直接对每个像素都进行编码，但是由于相邻的像素差别很小，所以通常对于噪声相当敏感，并且解码的过程也十分复杂，空间编码法中每个元素的码值需要它和它邻域内元素共同决定，且只需要一幅图像就能实现待测点的定位。现今，各领域对于三维重建技术都有了更高的要求，希望在保持高精度的同时实现运动物体的三维重构，这就需要在保证精度的前提下只使用单幅影像进行投影增强。三维重建结果的质量关键取决于编码方案的设计，因此纹理编码影像的生成方法已经成为结构光技术领域一个重要的研究方向，也是研究的重点和难点。

发明内容

本发明针对空间编码的方法，利用伪随机序列和M阵列窗口唯一的性质，提出了一种单幅纹理编码影像的生成方法，编码影像中特定元素点的码值根据其邻域内点的颜色、几何形状、强度等信息获得，因此可以根据待定点的空间位置关系定位。实现对待测物纹理较少区域的特征增强，只需单幅影像投影就可以通过解码算法对同名点进行准确定位，从而完成同名点对的一一匹配，为后续三维信息的恢复提供了高质量的匹配点对数据，提高三维重建的精度和准确性，为针对运动物体的三维重建提供新的思路。

为实现上述目的，本发明所设计的一种纹理编码影像生成方法，它包括如下步骤：

步骤1，利用线性反馈移位寄存器生成一串连续的伪随机De Bruijn序列，具体为：

步骤1.1，根据待测物所处环境和精度要求等，选定合适的窗口大小m和基元数q。

步骤1.2，查表得到m次幂的本原多项式，将此多项式作为特征多项式构造m阶线性移位寄存器。

步骤1.3，如图2所示，设定一个非零的初始状态，根据模q和的运算规则，生成长度为n的伪随机De Bruijn序列，其中n＝q^m－1，图中C_i∈(0,1)，C_i代表反馈的连接状态，当值为0的时候表示网络是断开的，无法连通，当值为1的时候表则示网络闭合。

步骤2，依据对角线法则，利用伪随机De Bruijn序列填充生成M阵列，具体为：

步骤2.1，选择合适的二维窗口大小k₁×k₂，这个窗口在生成的编码矩阵中具有窗口唯一的性质，其中

生成的M阵列大小为n₁×n₂，其中

n₂＝n/n₁，n₁和n₂互素。

步骤2.2，用长度为n的伪随机序列沿着大小为n₁×n₂阵列的主对角线从左上角开始填充阵列，当填充到阵列的右边界时，从下一行的左边界开始继续沿对角线填充，当填充到阵列的下边界时，从下一列的上边界开始继续沿对角线填充，直到阵列中每一个元素都填充完毕。

步骤3，对生成的M阵列裁剪拼接，得到合适尺寸的编码矩阵，具体为：

步骤3.1，若生成的M阵列行数和列数均大于目标编码矩阵的行数和列数，则直接从M阵列中截取出目标大小矩阵的子矩阵即可。若生成的M阵列行数或者列数小于目标编码矩阵的行数或列数，在此假设M阵列的行数n₁小于目标编码矩阵的行数，且远小于M阵列的列数n₂，则从M阵列中截取出一个n₁×n′₂的子矩阵，其中n′₂小于n₂，为目标编码矩阵的列数。

步骤3.2，按如图3所示顺序进行裁剪拼接，由于行数少，所以需要在选取的子矩阵上拼接数行。首先进行向下拼接，从选取的子矩阵最左侧开始，拼接k₂个数，对待拼接的原窗口(即截取的n₁×n′₂矩阵中待拼接的窗口)向下拼接的条件是原窗口后(k₁-1)行的值等于拼接窗口(指用于拼接增加矩阵行数的二维窗口)前(k₁-1)行的值，拼接窗口只能在选取完子矩阵n₁×n′₂后剩下的阵列中搜索，且对于已经使用过的k₁×k₂窗口，也不可以再重复使用。

步骤3.3，从向下拼接窗口开始逐个向右拼接，每次仅拼接窗口右下角的一个数，直到完成整行拼接。

步骤3.4，重复步骤3.2和步骤3.3，一行一行地拼接，直到拼接得目标编码矩阵的行数，至此，得到合适尺寸的n′₁×n′₂编码矩阵。

步骤4，设计纹理编码图案，选择RGB色彩差异大的小矩形块作为特征图案，矩形块的数目与基元数相同，用每一个特征图案代表一个基元，按照编码矩阵的排列顺序拼接，为了更方便地区分相邻的基元，在基元邻接处，用和三个颜色差别都很大细边框间隔开，生成纹理编码影像。

步骤5，在纹理编码影像的四角设计便于提取角点信息的标志。

本发明具有如下积极效果：

1)本发明设计了单幅的编码纹理影像，由于只需要向待测区域表面投影一幅图案就能实现待测点的定位，故可以在复杂环境下对运动物体进行三维重构。

2)本发明采用彩色编码纹理图案，包含了大量的颜色信息，可以极大地丰富物体的表面特征，便于区分不同的基元，且在解码时只需要进行颜色识别即可确定待测点码值，算法较为简便。

3)本发明所设计的编码影像四角有便于提取角点的特征信息，在对编码图像进行解码处理之前，可以方便地对拍摄得到的投影区域进行目标区域的提取，避免了环境杂物对投影区域的影响。

采用本发明所提出的编码方法，仅需投影单幅编码影像，在运动情境下依旧适用，在设计图案时利用了空间编码的技术，不仅增强了待测物体的表面纹理，而且在同名点匹配时避免了计算量大、耗时长的特征提取和特征匹配的过程，可以直接解码定位，使结构光三维重建的过程更加快速，三维重建的结果更加准确、稳健。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明中线性反馈移位寄存器生成伪随机序列示意图。

图3为本发明中M阵列裁剪拼接的示意图。

图4为本发明实例中生成的27×48编码矩阵。

具体实施方式

实施例1，一种基元为3，窗口为3×3的彩色纹理编码影像生成方法，包括以下步骤：

步骤1)、该步骤构造线性移位寄存器，为后续生成M阵列提供对应的伪随机DeBruijn序列。

首先，由于选定的窗口大小m＝9，基元数q＝3，故在三元域上选择一个9阶的本原多项式。

其次，将选定的本原多项式作为特征多项式，构造一个9阶线性反馈移位寄存器，将寄存器的三种状态设置为“0”，“1”，“2”。

最后，设定一个非零的初始状态，根据模3和的运算规则在线性反馈移位寄存器中计算，得到一串长度为n＝19682的伪随机De Bruijn序列。

步骤2)、利用步骤1中生成的一串连续的伪随机De Bruijn序列，通过对角线法则生成M阵列，生成的M阵列具有二维窗口唯一的特性，对于每一个窗口大小的子矩阵，都可以唯一地定位。首先确定二维窗口的大小为3×3，即k₁×k₂＝3，根据关系式计算得到生成的M矩阵的大小为26×747，构造一个26×747的空矩阵。接着将长度为19682的伪随机序列沿着这个空矩阵的主对角线填充，当填充到阵列的右边界时，从下一行的左边界开始继续沿对角线填充，当填充到阵列的下边界的时候，从下一列的上边界开始继续沿对角线填充，直到阵列中每一个元素都填充完毕，得到M阵列。

步骤3)、步骤2中得到的M阵列的尺寸并不是所需要的编码矩阵的尺寸，本步骤在保证窗口唯一性的前提下，对生成的M阵列进行裁剪拼接，得到目标编码矩阵。

首先，步骤2中生成的M阵列行数远小于列数，在本例中目标编码矩阵的大小为27×48，M阵列的行数小于目标编码矩阵的行数，所以从M阵列中先截取出一个大小为26×48的子矩阵。

其次，从选取的子矩阵最左侧3列开始向下拼接，拼接3个数，拼接条件是选取的子矩阵左下角的原窗口后两行的值等于拼接窗口前两行的值，且拼接窗口只在截取过子矩阵的M阵列剩下的部分中搜索。

最后，从向下拼接窗口开始逐个向右拼接，每次只拼接窗口右下角的一个数，且对于已经使用过的子窗口，不可重复使用，直到拼接完整行48个数。由于目标矩阵行数为27，只需要拼接一行，所以至此，得到目标尺寸的27×48编码矩阵。

步骤4)、本例中编码的基元数为3，用RGB色彩差异大的红、绿、蓝三种颜色的矩形分别代表“0”、“1”、“2”三个基元，按照目标编码矩阵的排列顺序拼接，为了更方便地区分相邻基元，在基元邻接处，用和三个颜色差别都很大的白色细边框间隔开。

步骤5)、分别在编码影像四个顶点的位置绘制洋红色的圆形，圆形的圆心与矩形的顶点重合。这样一来，只需要对拍摄得到的影像进行圆形检测，获取四个圆形的圆心坐标，即可提取矩形角点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种纹理编码影像生成方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1)，利用线性反馈移位寄存器生成一串连续的伪随机De Bruijn序列；

步骤2)，依据对角线法则，利用伪随机De Bruijn序列填充生成M阵列；

步骤3)，对生成的M阵列裁剪拼接，得到合适尺寸的编码矩阵；

步骤4)，选择RGB色彩差异大的小矩形块作为特征图案代替编码矩阵中的各基元，生成纹理编码影像；

步骤5)，在纹理编码影像的四角设计便于提取角点信息的标志。

2.根据权利要求1所述的一种纹理编码影像生成方法，其特征在于：所述的步骤1)的具体实现方式如下；

步骤1.1，根据待测物所处环境和精度要求，选定合适的窗口大小m和基元数q；

步骤1.2，查表得到m次幂的本原多项式，将此多项式作为特征多项式构造m阶线性移位寄存器；

步骤1.3，设定一个非零的初始状态，根据模q和的运算规则，生成长度为n的伪随机DeBruijn序列。

3.根据权利要求1所述的一种纹理编码影像生成方法，其特征在于：所述的步骤2)的具体实现方式如下；

步骤2.1，选择合适的二维窗口大小k₁×k₂，这个窗口在生成的编码矩阵中具有窗口唯一的性质，其中

生成的M阵列大小为n₁×n₂，其中

n₂＝n/n₁，n₁和n₂互素；

步骤2.2，用长度为n的伪随机序列沿着大小为n₁×n₂阵列的主对角线从左上角开始填充阵列，当填充到阵列的右边界时，从下一行的左边界开始继续沿对角线填充，当填充到阵列的下边界的时候，从下一列的上边界开始继续沿对角线填充，直到阵列中每一个元素都填充完毕。

4.根据权利要求1所述的一种纹理编码影像生成方法，其特征在于：所述的步骤3)的具体实现方式如下；

步骤3.1，若生成的M阵列行数和列数均大于目标编码矩阵的行数和列数，则直接从M阵列中截取出目标大小矩阵的子矩阵即可；若生成的M阵列行数或者列数小于目标编码矩阵的行数或列数，在此假设M阵列的行数n₁小于目标编码矩阵的行数，且远小于M阵列的列数n₂，则从M阵列中截取出一个n₁×n′₂的子矩阵，其中n′₂小于n₂，为目标编码矩阵的列数；

步骤3.2，首先进行向下拼接，从选取的子矩阵最左侧开始，拼接k₂个数，对原窗口下拼接的条件是原窗口后(k₁-1)行的值等于拼接窗口前(k₁-1)行的值，拼接窗口只能在选取完子矩阵n₁×n′₂后剩下的阵列中搜索，且对于已经使用过的k₁×k₂窗口，也不可以再重复使用，原窗口是指截取的n₁×n′₂矩阵中待拼接的窗口，拼接窗口是指用于拼接增加矩阵行数的二维窗口；

步骤3.3，从向下拼接窗口开始逐个向右拼接，每次仅拼接窗口右下角的一个数，直到完成整行拼接；

步骤3.4，重复步骤3.2和步骤3.3，一行一行地拼接，直到拼接得目标编码矩阵的行数，至此，得到合适尺寸的n′₁×n′₂编码矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种纹理编码影像生成方法，其特征在于：所述的步骤4)选择RGB色彩差异大的小矩形块作为特征图案代替编码矩阵中的各基元，生成纹理编码影像中，用红、绿、蓝三种颜色的矩形分别代表“0”、“1”、“2”三个基元，按照目标编码矩阵的排列顺序拼接，为了更方便地区分相邻基元，在基元邻接处，用和三个颜色差别都很大的白色细边框间隔开。

6.根据权利要求1所述的一种纹理编码影像生成方法，其特征在于：所述的步骤5)在纹理编码影像的四角设计便于提取角点信息的标志中，分别在编码影像四个顶点的位置绘制洋红色的圆形，圆形的圆心与矩形的顶点重合，然后对拍摄得到的影像进行圆形检测，获取四个圆形的圆心坐标，即可提取矩形角点。

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