CN115451860A - 一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于主动光三维测量领域，具体涉及一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法，包括步骤如下：投影重新设计的条纹图和格雷码图案到待测物体上，其中格雷码编码周期为条纹周期的一半采集经高度物体高度调制的条纹图案和格雷码图案。根据公式求解待测物体的包裹相位。根据每个像素点格雷码图案灰度值序列进行二值化。求解每个像素点的条纹图案的灰度均值和格雷码图案的灰度均值，利用二者的大小关系恢复第一幅格雷码图案。根据格雷码解码结果辅助包裹相位进行相位展开。标定系统参数，利用三角测量原理进行三维坐标求解。本发明解决了相位级次跳变处误码的问题，提高了解码的鲁棒性，减少了格雷码投影图案，提升了静态和动态测量的效率。

Description

一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法

技术领域

本发明属于主动光三维测量领域，具体涉及一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法。

背景技术

格雷码辅助的相移测量技术属于结构光测量的一个分支，广泛应用在工业检测，文物保护，医学重建等领域。随着硬件技术和计算机算力的不断发展，为了探究实验力学，材料力学中的具体细节变化，高速高精的三维重建成为了近些年研究的热点。由于高速商业投影仪以及高速相机的发展，使得格雷码辅助相移技术以低成本的方式获取高速动态三维信息成为可能。在这之前主要通过阵列投影仪和旋转光栅完成投射，成本高，重建效果一般。

然后今天的动态测量技术仍然难以满足超高速的物体重建，待测物体的运动速度和投影仪以及相机的性能有关，当二者投影和拍摄的帧率越快，对待测物体的运动速度容忍度就越高，这却取决于硬件性能；另一大制约物体运动速度的因素则是一个重建周期所需的投影图案数量，这取决于编码和解码技术。

在格雷码辅助相移法三维测量技术中，常用互补格雷码去解决包裹相位展开过程中的级次跳变错误，但是其需要多投影一幅码字以生成两个互补的级次，本方法通过重新设计格雷码和条纹图案，从而恢复第一幅未投影的格雷码图案，从而减少一幅码字，降低采样时间，提升三维测量的效率。提升动态测量中对物体最高运动速度的容忍能力。

发明内容

本发明在于弥补现有技术的短板，通过恢复传统的格雷码辅助相移技术的第一幅格雷码图案，从而提升重建效率，缩短采样时间，提供一种基于灰度复用格雷码的相移三维形状重建方法。

为了实现上述发明，提供的技术方案如下：

一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法，步骤如下所示：

S1：向待测物体投影经重新设计的256灰度的m幅周期为N的条纹图案和log2N幅互补格雷码图案，条纹图案左右两侧的均值亮度设置为不同值，然后将格雷码图案左右两侧均值亮度设置也不相同，并且使得条纹图案和格雷码图案的左右两侧的均值亮度大小关系相反。在格雷码序列中，左右两部分均有一个全0和全1的编码，为了能够正确求出格雷码图案的均值亮度，并且能够消除全0全1编码的歧义，需要将左半部分的全1编码删除，右半部分的全0编码删除，再将被删除的全1编码的左侧或者右侧的一个编码删除去保证相邻编码序列的hamming距离为1。

S2：采集经物体高度调制变形的格雷码和条纹灰度图。

S3：通过条纹图案求解物体的截断相位，并对格雷码图案进行二值化。

S4:求解条纹图案的算术均值和寻找同一像素点格雷码序列的最大最小值来求解均值，利用二者的灰度均值大小关系来恢复第一幅格雷码图案。

S5：在获取到二值化结果后，辅助包裹相位进行相位展开。

S6：采用棋盘格标定板对系统进行标定，得到相机内参，以及旋转平移矩阵。然后利用各个像素点的展开包裹相位到条纹图案列数的映射和像素点坐标，经三角测量运算后得到物体的世界坐标，完成三维重建工作。

格雷码二值化方法为：

根据采集到的各个像素点的格雷码灰度值序列求解均值方差std(x,y)，并且找出序列中的最大灰度max和最小灰度min，从而求得格雷码灰度均值GCM(x,y)，在根据下列公式进行二值化：

if std(x,y)<＝stdthresh:

if std(x,y)>stdthresh:

其中stdthresh是区分全0全1编码和其他一般编码的预设值，seq(x,y,i)是第i幅图像的二值化结果，GCM(x,y)为采集的格雷码图案的灰度均值，FRM(x,y)为采集到的格雷码图案的灰度均值，GCi(x,y)代表采集的第i幅格雷码的灰度值。

第一幅格雷码图案的恢复公式为：

其中，GC1(x,y)代表第一幅未投影的格雷码图案，GCM(x,y)为采集的格雷码图案的灰度均值，FRM(x,y)为采集到的格雷码图案的灰度均值。

解码求解公式为：

其中seq(x,y,i)表示第i幅格雷码图案的二值化结果，v(x,y)代表二值化序列的格雷码图案对应的十进制值，f()函数代表十进制值到相位级次k(x,y)的映射关系，这是删除了特定格雷码编码后的映射关系。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、通过对格雷码和相移图案在灰度空间上进行重新编码和解码，恢复第一幅格雷码图案，并利用格雷码序列进行二值化，解决了相位级次跳变处误码的问题，提高了解码的鲁棒性，减少了格雷码投影图案，提升了静态和动态测量的效率。

2、对于同样的编码周期，投影图案减少了一幅，从而提升了测量的效率，缩短了采样时间，适用于复杂，动态场景的快速测量。

附图说明

图1为本发明一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法的流程图。

图2为本发明的格雷码序列原理图。

图3为本发明的其中一幅格雷码图案。

图4为本发明的其中一幅条纹图案。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是为了解释本发明而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图和实例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。

实施例1。

如图1所示，一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法，步骤如下所示：

S1：向待测物体投影经重新设计的256灰度的m幅周期为N的条纹图案和log2N幅互补格雷码图案，条纹图案左右两侧的均值亮度设置为不同值，然后将格雷码图案左右两侧均值亮度设置也不相同，并且使得条纹图案和格雷码图案的左右两侧的均值亮度大小关系相反。在格雷码序列中，左右两部分均有一个全0和全1的编码，为了能够正确求出格雷码图案的均值亮度，并且能够消除全0全1编码的歧义，需要将左半部分的全1编码删除，右半部分的全0编码删除，再将被删除的全1编码的左侧或者右侧的一个编码删除去保证相邻编码序列的hamming距离为1。

S2：采集经物体高度调制变形的格雷码和条纹灰度图。

S3：通过条纹图案求解物体的截断相位，并对格雷码图案进行二值化。

S4:求解条纹图案的算术均值和寻找同一像素点格雷码序列的最大最小值来求解均值，利用二者的灰度均值大小关系来恢复第一幅格雷码图案。

S5：在获取到二值化结果后，辅助包裹相位进行相位展开。

S6：采用棋盘格标定板对系统进行标定，得到相机内参，以及旋转平移矩阵。然后利用各个像素点的展开包裹相位到条纹图案列数的映射和像素点坐标，经三角测量运算后得到物体的世界坐标，完成三维重建工作。

如图2、图3和图4所示，

格雷码二值化方法为：

根据采集到的各个像素点的格雷码灰度值序列求解均值方差std(x,y)，并且找出序列中的最大灰度max和最小灰度min，从而求得格雷码灰度均值GCM(x,y)，在根据下列公式进行二值化：

if std(x,y)<＝stdthresh:

if std(x,y)>stdthresh:

其中stdthresh是区分全0全1编码和其他一般编码的预设值，seq(x,y,i)是第i幅图像的二值化结果，GCM(x,y)为采集的格雷码图案的灰度均值，FRM(x,y)为采集到的格雷码图案的灰度均值，GCi(x,y)代表采集的第i幅格雷码的灰度值。

第一幅格雷码图案的恢复公式为：

其中，GC1(x,y)代表第一幅未投影的格雷码图案，GCM(x,y)为采集的格雷码图案的灰度均值，FRM(x,y)为采集到的格雷码图案的灰度均值。

所述的解码求解公式为：

其中seq(x,y,i)表示第i幅格雷码图案的二值化结果，v(x,y)代表二值化序列的格雷码图案对应的十进制值，f()函数代表十进制值到相位级次k(x,y)的映射关系，这是删除了特定格雷码编码后的映射关系。

实施例2

S1：向待测物体投影经重新设计的256灰度的m幅周期为N的条纹图案和log2N幅互补格雷码图案。

S2：由黑白相机采集经待测物体高度调制变形的格雷码和条纹灰度图。

S3：利用采集到的正弦条纹图求解各个周期的截断相位，并对格雷码图案每个像素的灰度序列进行二值化。

格雷码二值化求解步骤如下：

根据采集到的各个像素点的格雷码灰度值序列求解均值方差std(x,y)，并且找出序列中的最大灰度max和最小灰度min，从而求得格雷码灰度均值GCM(x,y)，再根据采集到的格雷码图案求解灰度均值FRM(x,y)。

通过比较均值方差和预设值之间的关系，采用不同的二值化方法，格雷码序列的二值化公式为：

if std(x,y)<＝stdthresh:

if std(x,y)>stdthresh:

其中stdthresh是区分全0全1编码和其他一般编码的预设值，seq(x,y,i)是第i幅图像的二值化结果，GCi(x,y)代表采集的第i幅格雷码的灰度值。

S4：将采集到的条纹图案相加求解算术均值，并寻找同一像素点格雷码序列的最大最小值来求解均值，利用采集到两种类型图案的灰度均值大小关系来恢复第一幅未投影的格雷码图案。

当格雷码的均值亮度大于条纹图案的均值亮度时，对应于第一幅条纹图案的0编码，反之则对应于第一幅条纹图案的1编码。第一幅条纹的恢复公式如下：

其中，GC1(x,y)代表第一幅未投影的格雷码图案，GCM(x,y)为采集的格雷码图案的灰度均值，FRM(x,y)为采集到的格雷码图案的灰度均值。

S5：在获取到二值化结果后，辅助包裹相位进行相位展开。

S6：采用棋盘格标定板对系统进行标定，得到相机内参，以及相机和世界坐标系的旋转和平移矩阵和投影仪和世界坐标系的旋转平移矩阵。然后利用各个像素点的展开包裹相位到条纹图案列数的映射和像素点坐标，依靠标定参数，经三角测量运算后得到物体的世界坐标，完成三维重建工作。

格雷码二值化后解码过程如下：

先求解二值化序列对应的十进制数值，然后利用已知的十进制数值到编码周期的转换关系求解相位的级次。相位级次求解公式如下：

其中seq(x,y,i)表示第i幅格雷码图案的二值化结果，v(x,y)代表二值化序列的格雷码图案对应的十进制值，f()函数代表十进制值到相位级次k(x,y)的映射关系，这是删除了特定格雷码编码后的映射关系。

利用求解出的互补格雷码级次，对包裹相位进行展开，根据包裹相位同0的关系进行分别处理，展开公式如下：

其中，φ为包裹相位，k(x,y)为求解的相位级次，Φ(x,y)为展开相位，floor()函数代表向下取整操作。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法，其特征在于：步骤如下所示：

S1：向待测物体投影经重新设计的256灰度的m幅周期为N的条纹图案和log2N幅互补格雷码图案，条纹图案左右两侧的均值亮度设置为不同值，然后将格雷码图案左右两侧均值亮度设置也不相同，并且使得条纹图案和格雷码图案的左右两侧的均值亮度大小关系相反。在格雷码序列中，左右两部分均有一个全0和全1的编码，为了能够正确求出格雷码图案的均值亮度，并且能够消除全0全1编码的歧义，需要将左半部分的全1编码删除，右半部分的全0编码删除，再将被删除的全1编码的左侧或者右侧的一个编码删除去保证相邻编码序列的hamming距离为1；

S2：采集经物体高度调制变形的格雷码和条纹灰度图；

S3：通过条纹图案求解物体的截断相位，并对格雷码图案进行二值化；

S4:求解条纹图案的算术均值和寻找同一像素点格雷码序列的最大最小值来求解均值，利用二者的灰度均值大小关系来恢复第一幅格雷码图案；

S5：在获取到二值化结果后，辅助包裹相位进行相位展开；

S6：采用棋盘格标定板对系统进行标定，得到相机内参，以及旋转平移矩阵。然后利用各个像素点的展开包裹相位到条纹图案列数的映射和像素点坐标，经三角测量运算后得到物体的世界坐标，完成三维重建工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法，

其特征在于：格雷码二值化方法为：

根据采集到的各个像素点的格雷码灰度值序列求解均值方差std(x,y)，并且找出序列中的最大灰度max和最小灰度min，从而求得格雷码灰度均值GCM(x,y)，在根据下列公式进行二值化：

if std(x,y)<＝stdthresh:

if std(x,y)>stdthresh:

其中stdthresh是区分全0全1编码和其他一般编码的预设值，seq(x,y,i)是第i幅图像的二值化结果，GCM(x,y)为采集的格雷码图案的灰度均值，FRM(x,y)为采集到的格雷码图案的灰度均值，GCi(x,y)代表采集的第i幅格雷码的灰度值。

3.根据权利要求2所述的一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法，

其特征在于：第一幅格雷码图案的恢复公式为：

其中，GC1(x,y)代表第一幅未投影的格雷码图案，GCM(x,y)为采集的格雷码图案的灰度均值，FRM(x,y)为采集到的格雷码图案的灰度均值。

4.根据权利要求3所述的一种基于灰度复用格雷码的相移三维测量方法，

其特征在于：解码求解公式为：

k(x,y)＝f(v(x,y))

其中seq(x,y,i)表示第i幅格雷码图案的二值化结果，v(x,y)代表二值化序列的格雷码图案对应的十进制值，f()函数代表十进制值到相位级次k(x,y)的映射关系，这是删除了特定格雷码编码后的映射关系。

Images