CN114061489A - 一种用于三维信息重建的结构光编码方法及系统 - Google Patents

一种用于三维信息重建的结构光编码方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于三维信息重建的结构光编码方法及系统，包括：形成至少3幅投影图像，由所有投影图像对齐后构成的编码图案包括：第一类子图案和第二类子图案；所述第一类子图案和所述第二类子图案交错出现，所述第一类子图案仅在一幅投影图像中出现条纹，所述第二类子图案至少在两幅投影图像中出现条纹；任意两个相邻的第一类子图案在不同的投影图像中出现条纹。本发明可在高分辨率下以更少的投影图像确定成像位置和投影位置的对应关系，提高了系统的测量效率，能够为较大景深的三维点正确匹配成像位置和投影位置，且匹配鲁棒性较好。

Description

一种用于三维信息重建的结构光编码方法及系统
技术领域
本发明涉及三维信息重建领域，尤指一种用于三维信息重建的结构光编码方法及系统。
背景技术
在工业控制、医疗等领域，已经有很多技术用于物体表面的三维信息重建。其中，基于结构光的光栅条纹投影类方法以其高精度、高效率、高鲁棒性等优点得到了广泛的研究与应用。
此类方法主要通过投影装置将特定编码的光栅条纹作为结构光的投影图像投影到被测物体表面，然后利用图像传感器，比如摄像机，捕获经物体表面调制后反射的结构光，得到成像图像，对成像图像进行解码，找出解码图案中各个成像位置与投影位置的对应关系；由于编码图案投影到物体的位置是已知的，根据前述对应关系，利用三角法就可以获得物体表面的三维信息。
一种常用的结构光编码方法为时间编码。时间编码方法按时间顺序依次向被测空间投影多幅图案，每次投影都通过相机进行成像。如图3所示，假设有4张影像，并设被阴影覆盖部分的码值为1，未被覆盖部分的码值为0。每次投影对各成像点产生一个码值，经过4次投影，产生一个与各成像点一一对应的码字(图3中是长度为4的二进制码字)，根据成像点的二进制码字就可确定成像点和投影点的对应关系。
格雷码是对二进制码的改进，它比二进制码具有更好的鲁棒性。为了提高分辨率，投影位置数量会比较多。无论是格雷码还是二进制码，若投影位置数为2N个，则至少需要N张投影图像才能保证成像图像的解码。
投影图像数量多有助于改善系统的测量精度，但投影图像数量多，会影响系统的测量效率，导致三维重建过程变复杂。因此，有必要在保证测量精度的情况下减少需要获得的图像数量。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种用于三维信息重建的结构光编码方法及系统，用于解决目前采用的编码方式需要的投影图像数量多的问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种用于三维信息重建的结构光编码方法，包括：形成至少3幅投影图像，由所有投影图像对齐后构成的编码图案包括：第一类子图案和第二类子图案；所述子图案为所有投影图像在同一投影位置处形成的图案；
所述第一类子图案和所述第二类子图案交错出现，所述第一类子图案仅在一幅投影图像中出现条纹，所述第二类子图案至少在两幅投影图像中出现条纹；任意两个相邻的第一类子图案在不同的投影图像中出现条纹。
在一些实施例中，所述的任意两个相邻的第一类子图案在不同的投影图像中出现条纹，包括：在所述编码图案中，所述第一类子图案按序在所有的投影图像中依次出现条纹。
在一些实施例中，任意两个相邻的第二类子图案的图案不同。
在一些实施例中，所述任意两个相邻的第二类子图案的图案不同，包括：在相邻的第二类子图案的图案中，条纹出现在投影图像的位置不同，或条纹出现在投影图像的数量不同。
在一些实施例中，在所述第二类子图案中设置第三类子图案，所述第三类子图案在所有投影图像中都出现条纹。
在一些实施例中，将第一条子图案设为所述第三类子图案。
在一些实施例中，确定基本图案，所述基本图案中每个子图案的图案都不相同；将所述基本图案的每个子图案按相同的预设周期重复出现。
在一些实施例中，所述编码图案还包括第四类子图案，在相邻的第一类子图案和第二类子图案之间插入一条第四类子图案。
本发明还提供一种用于三维信息重建的系统，包括投影装置、图像传感器和重建单元；所述投影装置，按前述的用于三维信息重建的结构光编码方法生成多幅投影图像，并按时间顺序依次将所述投影图像投射到被测物体表面；所述图像传感器，对投射到所述被测物体表面上所述投影图像进行成像，获得成像图像；所述重建单元，对所述成像图像进行解码，确定各个成像位置与投影位置的对应关系，根据该对应关系，重建所述被测物体表面的三维信息。
通过本发明提供的一种用于三维信息重建的结构光编码方法及系统，至少能够带来以下有益效果：
1、本发明通过在编码图案中设置第一类子图案和第二类子图案，且两种子图案交错出现，相对现有的二进制编码/格雷码编码方案，在高分辨率下可以更少的投影图像确定成像位置和投影位置的对应关系，提高了系统的测量效率。
2、本发明通过将第一类子图案按序在所有的投影图像中依次出现条纹，和/或引入第四类子图案，和/或适当增加投影图像数量，可获得更大的景深，能够为较大景深的三维点正确匹配成像位置和投影位置，且匹配鲁棒性较好。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种用于三维信息重建的结构光编码方法及系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的一种用于三维信息重建的结构光编码方法的一个实施例的流程图；
图2是本发明的一种用于三维信息重建的系统的结构示意图；
图3是现有二进制编码图案的一种逻辑示意图；
图4是本发明的结构光编码图案的一种逻辑示意图；
图5是本发明的结构光编码图案的另一种逻辑示意图；
图6是本发明的结构光编码图案的另一种逻辑示意图；
图7是本发明的结构光编码图案的另一种逻辑示意图；
图8是本发明的结构光编码图案的一种示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘制了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
本发明的一个实施例，如图1所示，一种用于三维信息重建的结构光编码方法，包括：
步骤S100形成N幅投影图像，N≧3，其中：
所有投影图像对齐后构成的编码图案包括第一类子图案A和第二类子图案B，子图案为所有投影图像在同一投影位置处形成的图案；
第一类子图案A和第二类子图案B交错出现，第一类子图案A仅在一幅投影图像中出现条纹，第二类子图案B至少在两幅投影图像中出现条纹；且任意两个相邻的第一类子图案在不同的投影图像中出现条纹。
具体的，本实施例是一种结构光的时间编码方法。时间编码方法是按时间顺序依次向被测物体表面投影多幅图案。每幅图案，又称为投影图像，是由一排明暗不同的结构光构成。
投影装置一般包括光源和光栅。光栅是一种由大量等宽的平行狭缝构成的光学器件。在有狭缝的地方，光源通过狭缝形成一段明色光线，将这段明色光线称为条纹。在不存在狭缝的地方，光源透不过去形成暗色。在光栅上刻录投影图像，光源将光栅上的投影图像投影到物体表面上。
所有投影图像对齐后构成编码图案，对编码图案按投影位置进行划分，将由所有投影图像在相同投影位置的元素所形成的图案称为子图案。也就是说，子图案是编码图案在同一投影位置的图案。如图8，由3幅投影图像构成的编码图案，横向每一排为投影图像，纵向每一列为子图案。
子图案包括第一类子图案A和第二类子图案B，第一类子图案A为仅在一幅投影图像中出现条纹的子图案，第二类子图案B为至少在两幅投影图像中出现条纹的子图案。
在编码图案中，第一类子图案A与第二类子图案B间隔出现。
比如，如图4，有6个投影点(即投影位置)和3幅投影图像，其中灰色格表示条纹。如投影图像1，其在投影点1-3出现了条纹，在其他投影点没有出现条纹。
3幅投影图像在投影点1都出现了条纹，所以投影点1的子图案为第二类子图案B；在投影点2只有投影图像1出现了条纹，所以投影点2的子图案为第一类子图案A；在投影点3，投影图像1和2出现了条纹，所以投影点3的子图案为第二类子图案B，依次类推。可以看出，由投影图像1-3构成的编码图案是由第二类子图案B、A交错出现的图案，实际也可以由第一类子图案A、B交错出现构成编码图案，本实施例对此不做限制。
相邻的第一类子图案在不同的投影图像中出现条纹。如图4所示，投影点2、4、6的子图案都为第一类子图案A，投影点2与4，或4与6的子图案为相邻的第一类子图案，可以看出任意两个相邻的第一类子图案的图案是不同的，条纹是出现在不同的投影图像中。
在对上述编码图案进行解码时，一种实施方式可以为：根据第一类子图案A与第二类子图案B的差别，区分第一类子图案A与第二类子图案B；再根据相邻第一类子图案A的不同以及第一类子图案A的出现规律，确定所有第一类子图案A中成像点(即成像位置)与投影点(即投影位置)的对应关系；然后再进一步识别第二类子图案B，确定成像点与投影点的对应关系。
相邻的第二类子图案的图案可以相同，也可以不同。不同有助于更好地确定第二类子图案的位置。比如，以图4为例，在确定投影点2的第一类子图案后，我们知道其前后为第二类子图案，若两者图案相同，则不容易确定其序号是1还是3，若两者图案不同，则更容易确定其序号。
相邻的第二类子图案的图案不同，可以表现在：在相邻的第二类子图案的图案中，条纹出现在投影图像的位置不同，或条纹出现在投影图像的数量不同。总之，两者图案相差越大，会有利于识别。
对第二类子图案可进一步细分，将其分为第三类子图案和非第三类子图案。将在所有投影图像中都出现条纹的子图案作为第三类子图案。由于第三类子图案在所有投影图像中都出现条纹，解码时更容易识别。
将上述方法得到的编码图案作为基本图案。为了方便解码，还可以对基本图案增加约束，要求基本图案中每个子图案的图案都不相同。
假设有条纹的成像点的像素值为1，无条纹的成像点的像素值为0，可以看出图4中每个子图案对应的码字是不同的，所以可根据常规方法进行解码，比如根据成像点的码字确定成像点与投影点的对应关系。当然还可以采用其他解码方法，本实施例对此不做限制。
有时因高分辨率要求，所需的子图案数多。将基本图案重复周期出现形成新的编码图案，即基本图案的每个子图案都按相同的预设周期重复出现，这样就不必增加新的投影图像。对于2N条子图案，采用3张投影图像仍能满足解码要求。
在一个实施例中，将基本图案的第一条子图案设为第三类子图案C。由于第三类子图案C容易识别，这样可以更容易确定基本图案的边界。
如图5所示，图5是以图4的图案为基础重复出现所形成的图案。针对这种编码方式，在解码时，可以先确定基本图案的边界，再采用前述方法解码基本图案。可以通过一种子图案的重复出现规律确定基本图案的边界。比如，如图5，根据投影点1的子图案的重复出现规律确定基本图案的边界。
在一个实施例中，相邻的第一类子图案在不同的投影图像中出现条纹，包括：在所有投影图像对齐后构成的编码图案中，第一类子图案按序在所有的投影图像中依次出现条纹。此处的按序出现条纹是指以所有投影图像的一种排列顺序出现条纹，或以所有投影图像的一种排列顺序为周期重复出现条纹。
如图5，第一类子图案按投影图像1、2、3的顺序依次在投影点2、4、6出现条纹，然后以此为周期，在投影点8、10、12重复前述图案，依次类推。当然，第一类子图案也可以按投影图像1、3、2的顺序或2、3、1等其他排列顺序，依次在各个投影点出现条纹。
这样可以使同一投影图像中相邻的第一类子图案的间距更大，这样有助于提高第一类子图案的解码的正确性，获得更大的景深，适用于表面深度变化较大的物体表面的三维信息重建。否则，只适用于景深较小的应用场景。景深对应物体表面的深度变化，物体表面深度变化不大的情况，景深要求低；反之相反。
为了进一步加大景深，还可以在前述实施例的基础上，在编码图案中引入第四类子图案D。第四类子图案D在所有投影图像中都未出现条纹。在相邻的第一类子图案和第二类子图案之间插入一条第四类子图案。
如图6，投影点1、5、9、13的子图案为第二类子图案，投影点2、4、6、8、10、12、14、16的子图案为第四类子图案，投影点3、7、11、15的子图案为第一类子图案。相邻的第二类子图案与第一类子图案之间有一条第四类子图案。
针对图6所示编码方案，可以按前述解码方案确定好第二类子图案后，再根据“相邻的第二类子图案与第一类子图案之间有一条第四类子图案”确定所有第四类子图案。
图5中，同一投影图像中相邻的第一类子图案的间距为6。图6中，同一投影图像中相邻的第一类子图案的间距为12，远大于图5，所以可适用于更大景深的应用场景。
为了满足更大的景深要求还可以增加投影图像数量。如采用4幅投影图像，如图7所示，可以看出，同一投影图像中相邻的第一类子图案的间距为8，比图5的大。若在增加投影图像数量的措施上再增加“在相邻的第一类子图案和第二类子图案之间插入一条第四类子图案”，可以进一步增大间距，满足更大的景深要求。
本实施例，通过在编码方案中设置第一类子图案和第二类子图案，且两种子图案交错出现，相对二进制编码/格雷码编码方案，在高分辨率下可以更少的投影图像确定成像点和投影点的对应关系，提高了系统的测量效率；通过将第一类子图案按序在所有的投影图像中依次出现条纹，以及引入第四类子图案，能够正确为较大景深的三维点匹配成像点和投影点，且匹配鲁棒性较好。
本发明的一个实施例，如图2所示，一种用于三维信息重建的系统，包括：
包括投影装置100、图像传感器200和重建单元300；
投影装置100，按前述实施例所述的用于三维信息重建的结构光编码方法生成多幅投影图像，并按时间顺序依次将投影图像投射到被测物体表面；
图像传感器200，对投射到被测物体表面上的投影图像进行成像，获得成像图像；
重建单元300，对成像图像进行解码，确定各个成像位置与投影位置的对应关系，根据该对应关系，重建被测物体表面的三维信息。
具体地，投影装置100按前述实施例所述的用于三维信息重建的结构光编码方法生成多幅投影图像。重建单元300按前述实施例所述的用于三维信息重建的结构光解码方法对成像图像进行解码，确定各个成像位置与投影位置的对应关系。
编码图案由多幅投影图像构成，解码图案由多幅成像图像构成。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于三维信息重建的结构光编码方法，其特征在于，包括：
形成至少3幅投影图像，由所有投影图像对齐后构成的编码图案包括：
第一类子图案和第二类子图案；所述子图案为所有投影图像在同一投影位置处形成的图案；
所述第一类子图案和所述第二类子图案交错出现，所述第一类子图案仅在一幅投影图像中出现条纹，所述第二类子图案至少在两幅投影图像中出现条纹；
任意两个相邻的第一类子图案在不同的投影图像中出现条纹。
2.根据权利要求1所述的用于三维信息重建的结构光编码方法，其特征在于，所述的任意两个相邻的第一类子图案在不同的投影图像中出现条纹，包括：
在所述编码图案中，所述第一类子图案按序在所有的投影图像中依次出现条纹。
3.根据权利要求1所述的用于三维信息重建的结构光编码方法，其特征在于：
任意两个相邻的第二类子图案的图案不同。
4.根据权利要求3所述的用于三维信息重建的结构光编码方法，其特征在于，所述任意两个相邻的第二类子图案的图案不同，包括：
在相邻的第二类子图案的图案中，条纹出现在投影图像的位置不同，或条纹出现在投影图像的数量不同。
5.根据权利要求4所述的用于三维信息重建的结构光编码方法，其特征在于：
在所述第二类子图案中设置第三类子图案，所述第三类子图案在所有投影图像中都出现条纹。
6.根据权利要求5所述的用于三维信息重建的结构光编码方法，其特征在于：
将第一条子图案设为所述第三类子图案。
7.根据权利要求5所述的用于三维信息重建的结构光编码方法，其特征在于：
确定基本图案，所述基本图案中每个子图案的图案都不相同；
将所述基本图案的每个子图案按相同的预设周期重复出现。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用于三维信息重建的结构光编码方法，其特征在于：
所述编码图案还包括第四类子图案，在相邻的第一类子图案和第二类子图案之间插入一条第四类子图案。
9.一种用于三维信息重建的系统，其特征在于，包括投影装置、图像传感器和重建单元；
所述投影装置，按权利要求1至8中任一项所述的用于三维信息重建的结构光编码方法生成多幅投影图像，并按时间顺序依次将所述投影图像投射到被测物体表面；
所述图像传感器，对投射到所述被测物体表面上所述投影图像进行成像，获得成像图像；
所述重建单元，对所述成像图像进行解码，确定各个成像位置与投影位置的对应关系，根据该对应关系，重建所述被测物体表面的三维信息。
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