CN113532330B - 一种相位格雷码三维测量方法 - Google Patents

Abstract

一种相位格雷码三维测量方法属于结构光三维测量技术领域。该方法包括以下步骤：首先，生成相位格雷码的四步余弦相移条纹图案；然后，依次投射各位余弦相移条纹图案并同步采集余弦相移条纹图像；第三，根据四步相移法获取余弦相移条纹图像的相位码字；第四，将相位码字转换为相位格雷码字；第五，将相位格雷码字转换为二进制码字；第六，将二进制码转换为十进制码；最后，根据三角法使用十进制码计算被测表面三维坐标、形成三维图像。本发明有益效果在于：相比格雷码三维测量方法，本发明方法具有更强的抗干扰能力，有效地减少了强度干扰带来的解码误差及其导致的测量误差，明显提升了三维成像效果。

Description

一种相位格雷码三维测量方法

技术领域

一种相位格雷码三维测量方法属于结构光三维测量技术领域。

背景技术

图像因信息量大而得到广泛应用。然而，传统的二维图像因损失了深度信息而难以反映出真实的三维客观世界。因此，基于各种原理的三维测量技术应运而生。其中，属于光学非接触三维测量技术的结构光三维测量方法最具实用性和发展前景。

结构光三维测量方法向被测景物表面投射编码光图案，然后采集经被测景物表面调制后的编码光图像，再根据三角法通过图像处理和运算得到被测表面的三维坐标。格雷码其码字由0和1组成而编码简单；该编解码不仅在最低位出错仅导致±1的误差，而且在任意位其跳变点左右不超过最低位码字宽度的范围内出错也仅导致±1的误差，从而保证了错误最小化；另外，它采用时间域编码而不存在译码误差累计问题。因此，格雷码最适合用于解决高度剧烈变化或不连续表面的三维测量难题。

但是，实际中格雷码图像因测量系统硬件噪声、环境干扰以及被测表面物理和几何特性的影响必然存在畸变，其跳变边缘即亮(+1)暗(-1)的边界在物理上也必然存在过渡区，这些干扰因素均给格雷码图像带来强度误差，结果导致格雷码误差和三维测量误差。因此，提升格雷码的抗干扰能力有益于减少格雷码误差及其导致的测量误差、提升三维成像质量。

发明内容

为了提升格雷码的抗干扰能力，本发明公开了一种相位格雷码三维测量方法，相比于现有格雷码三维测量方法，本发明方法将强度转换为相位后再通过相位确定码字，有效地减少了强度干扰带来的解码误差及其导致的测量误差，明显提升了三维成像效果。

本发明的目的是这样实现的：

一种相位格雷码三维测量方法，包括以下步骤：

步骤a、生成n位相位格雷码中第i位的四步余弦相移条纹图案：

其中，i＝1,2,…,n；(x,y)为图案像素点坐标；I_i1(x,y)为第一步余弦相移条纹图案像素强度，I_i2(x,y)为第二步余弦相移条纹图案像素强度，I_i3(x,y)为第三步余弦相移条纹图案像素强度，I_i4(x,y)为第四步余弦相移条纹图案像素强度；A_i(x,y)为图案像素平均强度；B_i(x,y)为图案像素调制强度；

为第i位的相位码字，且：

其中，T_i为第i位余弦相移条纹的周期，且T_i+1＝T_i/2；floor( )为向下取整函数；

任意两个相邻的数之间转换时只有一个数位发生变化、属于循环码；定义第i位的相位格雷码字G_i(x,y)为：

其中，G_i(x,y)∈{0,1}；

步骤b、用投影仪按时序依次将各位余弦相移条纹图案I_i1(x,y)、I_i2(x,y)、I_i3(x,y)、I_i4(x,y)投射到被测表面，再用相机同步采集由被测表面形状调制后的余弦相移条纹图像

步骤c、根据四步相移法利用余弦相移条纹图像

逐像素点计算其相位码字

步骤d、将相位码字

转换为相位格雷码字

其中，round()为四舍五入取整函数；

步骤e、将相位格雷码字转换为二进制码字

其中，

表示异或；

步骤f、将二进制码转换为十进制码D^c：

步骤g、根据三角法使用十进制码计算被测表面三维坐标、形成三维图像。

有益效果：相比格雷码三维测量方法，本发明方法抗干扰能力更强，有效地减少了强度干扰带来的解码误差及其导致的测量误差，明显提升了三维成像效果。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为第i位相位格雷码的第一步余弦相移条纹图案中一行像素的强度曲线。

图3为第i位相位格雷码的第二步余弦相移条纹图案中一行像素的强度曲线。

图4为第i位相位格雷码的第三步余弦相移条纹图案中一行像素的强度曲线。

图5为第i位相位格雷码的第四步余弦相移条纹图案中一行像素的强度曲线。

图6为第i位相位格雷码中一行相位码字曲线。

图7为第i位相位格雷码中一行相位格雷码字曲线。

图8为实验一中被测平面。

图9为实验一中干扰为0％时本发明方法得到的三维测量结果(不出现干扰导致的测量误差)。

图10为实验一中干扰为25％时本发明方法得到的三维测量结果(不出现干扰导致的测量误差)。

图11为实验一中干扰为49％时本发明方法得到的三维测量结果(从此开始出现干扰导致的测量误差)。

图12为实验一中干扰为0％时格雷码方法得到的三维测量结果(不出现干扰导致的测量误差)。

图13为实验一中干扰为25％时格雷码方法得到的三维测量结果(从此开始出现干扰导致的测量误差)。

图14为实验一中干扰为49％时格雷码方法得到的三维测量结果(出现了更多的干扰导致的测量误差)。

图15为实验二中被测浮雕圆盘。

图16为实验二中干扰为0％时本发明方法得到的三维测量结果(不出现干扰导致的测量误差)。

图17为实验二中干扰为9％时本发明方法得到的三维测量结果(不出现干扰导致的测量误差)。

图18为实验二中干扰为18％时本发明方法得到的三维测量结果(从此开始出现干扰导致的测量误差)。

图19为实验二中干扰为0％时格雷码方法得到的三维测量结果(不出现干扰导致的测量误差)。

图20为实验二中干扰为9％时格雷码方法得到的三维测量结果(从此开始出现干扰导致的测量误差)。

图21为实验二中干扰为18％时格雷码方法得到的三维测量结果(出现了更多的干扰导致的测量误差)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

本发明一种相位格雷码三维测量方法，其具体流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤a、生成n位相位格雷码中第i位的四步余弦相移条纹图案：

其中，i＝1,2,…,n；(x,y)为图案像素点坐标；I_i1(x,y)为第一步余弦相移条纹图案像素强度，I_i2(x,y)为第二步余弦相移条纹图案像素强度，I_i3(x,y)为第三步余弦相移条纹图案像素强度，I_i4(x,y)为第四步余弦相移条纹图案像素强度；A_i(x,y)为图案像素平均强度；B_i(x,y)为图案像素调制强度；

为第i位的相位码字；

第i位的四步余弦相移条纹图案中，各行像素的强度曲线相同，其中一行像素的强度曲线如图2至图5所示；

第i位的相位码字

定义为：

其中，T_i为第i位余弦相移条纹的周期，且T_i+1＝T_i/2；floor()为向下取整函数；

各行的第i位相位码字相同，其中一行相位码字曲线如图6所示；

任意两个相邻的数之间转换时只有一个数位发生变化、属于循环码；定义第i位的相位格雷码字G_i(x,y)为：

其中，G_i(x,y)∈{0,1}；各行的第i位相位格雷码字相同，其中一行相位格雷码字曲线如图7所示；

步骤b、用投影仪按时序依次将各位余弦相移条纹图案I_i1(x,y)、I_i2(x,y)、I_i3(x,y)、I_i4(x,y)投射到被测表面，再用相机同步采集由被测表面形状调制后的余弦相移条纹图像

步骤c、根据四步相移法利用余弦相移条纹图像

逐像素点计算其相位码字

步骤d、将相位码字

转换为相位格雷码字G_i：

其中，round()为四舍五入取整函数；

步骤e、将相位格雷码字转换为二进制码字B_i：

B₁＝G₁

其中，

表示异或；

步骤f、将二进制码转换为十进制码D^c：

步骤g、根据三角法使用十进制码计算被测表面三维坐标、形成三维图像。

需要说明的是，本发明技术方案所对应的技术领域为结构光三维测量技术领域，就本领域技术人员而言，本发明方法中每一个步骤的具体参数和采用的仪器设备，本领域技术人员能够根据专业知识进行选择和应用，在本发明中没有必要进行具体的数字说明和仪器设备描述；本发明最后一个步骤中根据三角法使用十进制码计算被测表面三维坐标、形成三维图像，属于本领域中众所周知的成熟技术，本领域技术人员完全能够自主实现，本发明已经做到充分公开。

下面分析说明本发明相位格雷码三维测量方法与格雷码三维测量方法相比，原理上具有抗干扰能力强的技术优势。

实际测量中，格雷码三维测量系统存在硬件噪声和环境干扰，被测表面物理和几何特性存在不一致，格雷码图案跳变边缘在物理上存在过渡区，这些干扰因素均给格雷码图像带来强度误差。

现有格雷码三维测量方法因采用强度确定码字而对强度误差敏感，因此容易产生格雷码误差及其导致的测量误差。

本发明所提出的方法先将强度转换为相位后再通过相位确定码字，因为相位抗干扰能力在原理上优于强度，所以本发明对强度误差不敏感，能有效减少强度干扰带来的解码误差及其导致的测量误差。

下面通过数值模拟仿真实验来证明，本发明方法与格雷码方法相比，具有抗干扰能力强的技术优势。

仿真实验采用数值模拟方式进行，实验重复次数为10⁷，实验过程如下：

采用本文发明方法生成标准的一位相位格雷码四步相移条纹图像，然后在图像上施加均匀分布随机干扰ΔI(x)∈[-γ(2B_i),γ(2B_i)]，其中误差系数γ表征了像素干扰与其调制强度的比例关系，接着通过解码依次得到干扰后图像的相位码和相位格雷码，再通过与施加干扰前的标准条纹图像的相位格雷码对比来判断是否出错、得到出错概率。

采用格雷码方法生成标准的一位格雷码条纹图像，然后施加同样的干扰，接着通过解码得到干扰后图像的格雷码，再通过与施加干扰前的标准条纹图像的格雷码对比来判断是否出错、得到出错概率。

实验结果参见表1。

表1数值模拟仿真实验中采用本发明方法和格雷码方法的编解码出错概率

由实验结果可知，编码图像强度误差超过±25.9％时格雷码开始出错而超过±50％时相位格雷码才开始出错，而且同一干扰下本发明方法的出错概率明显低于格雷码方法，因此本发明方法的抗干扰能力远高于格雷码三维测量方法。

下面通过仿真测量实验来证明，本发明相位格雷码三维测量方法与格雷码三维测量方法相比，具有抗干扰能力强的技术优势。

所采用的仿真测量实验系统在3DMAX仿真环境中构建，它由分辨率为1024×768像素的投影仪和分辨率为2048×1536像素的相机所组成。

使用仿真测量实验系统实现了本发明方法和格雷码三维测量方法，其中相位格雷码和格雷码两者码字宽度均为2个像素、位数均为9位。

针对平面和浮雕圆盘进行仿真测量，而且在本发明方法中的相移条纹图像和格雷码方法中的编码图像施加同一均匀分布随机干扰ΔI(x)∈{-γ(2B_i),γ(2B_i)}。

需要说明的是，格雷码三维测量方法为结构光三维测量技术领域中的常用方法，本领域技术人员对其充分知晓、能够根据专业知识自主实现，在本发明中没有必要进行具体描述。

仿真测量实验一、平面测量实验

被测平面和采用本发明方法的仿真测量实验结果如图8至图11所示。

采用格雷码方法的仿真测量实验结果如图12至图14所示。

通过比较实验结果可知，本发明方法在干扰达到或超过±49％时出现干扰导致的测量误差，而格雷码方法在干扰达到或超过±25％时就出现干扰导致的测量误差，这验证了采用本发明方法具有更强的抗干扰能力、可得到更准确的测量结果。

仿真测量实验二、浮雕圆盘测量实验

被测浮雕圆盘和采用本发明方法的仿真测量实验结果如图15至图18。

采用格雷码的仿真测量实验结果如图19至图21所示。

通过比较实验结果可知，本发明方法在干扰达到或超过±18％时出现干扰导致的测量误差，而格雷码方法在干扰达到或超过±9％时就出现干扰导致的测量误差，这进一步验证了采用本发明方法具有更强的抗干扰能力、可得到更准确的测量结果。

Claims (1)

1.一种相位格雷码三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤a、生成n位相位格雷码中第i位的四步余弦相移条纹图案：

其中，i＝1,2,…,n；(x,y)为图案像素点坐标；I_i1(x,y)为第一步余弦相移条纹图案像素强度，I_i2(x,y)为第二步余弦相移条纹图案像素强度，I_i3(x,y)为第三步余弦相移条纹图案像素强度，I_i4(x,y)为第四步余弦相移条纹图案像素强度；A_i(x,y)为图案像素平均强度；B_i(x,y)为图案像素调制强度；

为第i位的相位码字，且：

其中，T_i为第i位余弦相移条纹的周期，且T_i+1＝T_i/2；floor()为向下取整函数；

任意两个相邻的数之间转换时只有一个数位发生变化、属于循环码；定义第i位的相位格雷码字G_i(x,y)为：

其中，G_i(x,y)∈{0,1}；

步骤b、用投影仪按时序依次将各位余弦相移条纹图案I_i1(x,y)、I_i2(x,y)、I_i3(x,y)、I_i4(x,y)投射到被测表面，再用相机同步采集由被测表面形状调制后的余弦相移条纹图像

步骤c、根据四步相移法利用余弦相移条纹图像

逐像素点计算其相位码字

步骤d、将相位码字

转换为相位格雷码字

其中，round()为四舍五入取整函数；

步骤e、将相位格雷码字转换为二进制码字

其中，

表示异或；

步骤f、将二进制码转换为十进制码D^c：

步骤g、根据三角法使用十进制码计算被测表面三维坐标、形成三维图像。

Images