CN116774428A - 一种基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，该编码方法通过引入原始非对称误差扩散核函数的镜像核函数与规划移动路径，能够有效消除相位偏移的问题，并通过相位优化，可以提升离焦数字编码对离焦量的鲁棒性，满足了在不同离焦量与周期条件下三维测量的精度需求；该编码方法具有方法简单易行、精度高、鲁棒性好等优点。

Description

一种基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法
技术领域
本发明公开涉及离焦结构光系统编码的技术领域，尤其涉及基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法。
背景技术
数字条纹(digital fringe pattern,DFP)是结构光获取三维信息的重要媒介，通常需要将DFP投射到被测物体表面，但是由于存在镜头非线性畸变以及离焦量，导致光学正弦精度降低，影响了光强信息和相位信息，并最终导致三维数据精度降低，因此DFP的光学正弦性是结构光三维精确测量的先决条件。
目前，DFP主要分为八位编码方法和二值编码方法。八位编码方法采用八位二进制信息表示0-255灰度信息，以此生成正弦DFP，而二值编码方法是仅使用0和1两个二值信息生成二值DFP，并结合离焦技术，最终生成近似的正弦DFP。由于二值DFP中仅采用0和1的二值信息，因此编码速度更快，同时可以有效抑制非线性畸变的影响。但是由于二值转换过程中存在相位偏移，直接影响了基于二值DFP的三维数据采集精度。
因此，如何提供一种新型的编码方式，以解决上述精度低的问题，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，以解决以往编码方法存在精度低的问题。
本发明提供的技术方案，具体为，一种基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，该编码方法包括如下步骤：
S1：获取原始非对称误差扩散核函数，并依据所述原始非对称误差扩散核函数求解获得镜像核函数；
S2：根据原始非对称误差扩散核函数、镜像核函数以及规划移动路径，对数字条纹进行转换，获得二值数字条纹编码；
S3：将所述二值数字条纹编码进行相位优化后，获得最终的二值条纹编码。
优选，步骤S2中，所述根据原始非对称误差扩散核函数、镜像核函数以及规划移动路径，对数字条纹进行转换，获得二值数字条纹编码，具体为：
沿着规划移动路径移动核函数，进行所述数字条纹转换，其中，所述数字条纹中的奇数行采用原始非对称误差扩散核函数进行转换，所述数字条纹中的偶数行采用镜像核函数进行转换。
进一步优选，所述规划移动路径为：以数字条纹第一行最左侧的像素点作为起始点，从左向右移动，当移动到第一行最右侧的像素点后，跳转到第二行最右侧的像素点，并从右向左移动，当移动到第二行最左侧的像素点后，跳转到第三行的最左侧像素点，从左向右移动，当移动到第三行最右侧的像素点后，跳转到第四行最右侧的像素点，以此类推规划核函数的移动路径。
进一步优选，步骤S3中，所述将所述二值数字条纹编码进行相位优化后，获得最终的二值条纹编码，具体为：
S301：检测二值数字条纹编码中的相位误差点；
S302：采用三步相移理论求解各相位误差点的相位，每个相位误差点均对应三个像素点，改变每个像素点的状态值，并引入中间灰度信息，共有27种组合状态，计算每种组合状态对应的相位提升率，并将最小相位提升率对应的像素状态作为新的像素，获得新的二值数字条纹编码；
S303：若二值数字条纹编码的全局相位均方根误差提升率大于等于规定阈值，则重复步骤S301、步骤S302，直至二值数字条纹编码的全局相位均方根误差提升率小于规定阈值，获得最终的二值条纹编码。
进一步优选，步骤S301中，所述检测二值数字条纹编码中的相位误差点，具体为：
根据相移理论，分别得到二值数字条纹编码中每个像素点的相位φi(x,y)以及离焦条件下二值数字条纹编码中每个像素点的相位φd(x,y)；
计算二值数字条纹编码中每个像素点中标准相位与离焦条件下相位的相位差绝对值，并与阈值比较，若小于阈值则不是误差点，否则为误差点。
进一步优选，所述相位提升率的计算公式为：
其中，为相位提升率、/>和/>分别为第0次、第n-1次和第n次的相位误差。
本发明提供的基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，通过引入原始非对称误差扩散核函数的镜像核函数与规划移动路径，能够有效消除相位偏移的问题，并通过相位优化，可以提升离焦数字编码对离焦量的鲁棒性，满足了在不同离焦量与周期条件下三维测量的精度需求。
本发明提供的基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，具有方法简单易行、精度高、鲁棒性好等优点。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。
图1为本发明公开实施例提供的基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法的流程示意图；
图2为本发明公开实施例提供的基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法中步骤S3的流程示意图；
图3为本发明公开实施例提供的基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法中误差扩散核函数的模型图。
图4为本发明公开实施例提供的基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法中规划移动路径。
图5为不同函数权值条件下的RMSE对比图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。
为了解决以往编码方法存在精度低的问题，本实施方案提供了一种基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，将该编码方法生成的二值数字条纹应用在结构光三维测量过程中，进行实物测量，验证该编码方法对二值数字条纹相位偏移的具有抑制作用。
参见图1，该编码方法主要包括如下三个步骤：
S1：获取原始非对称误差扩散核函数，并依据所述原始非对称误差扩散核函数求解获得镜像核函数；
S2：根据原始非对称误差扩散核函数、镜像核函数以及规划移动路径，对数字条纹进行转换，获得二值数字条纹编码；
S3：将所述二值数字条纹编码进行相位优化后，获得最终的二值条纹编码。
由于误差扩散核函数本身具有非对称性，会导致误差分配的比例并不对称，最终导致二值数字条纹存在相位误差，针对误差核函数非对称性问题，上述实施方案根据原核函数生成镜像核函数，并采用规划路径对数字条纹进行编码。
如果误差核函数扫描方向是从全局数字条纹的左上方开始，随着误差核函数的扫描，扩散的误差会向右下方传递，最终导致离焦数字条纹出现相移偏移。为了克服非对称核函数的缺点，生成对称的数字条纹，本实施方案根据原始非对称误差扩散核函数的编码原理以及调整误差分配比例求解获得镜像核函数。
由于误差核函数分配误差的特点，当正弦数字条纹中某个点的灰度信息被转换成二值信息后，该点的二值状态将不会改变，因此传统误差核函数将正弦数字条纹转换为二值数字条纹时，会导致相位出现误差。规划数字条纹编码移动路径的目的是减少误差扩散比例不对称而导致的相位偏移。
具体的编码过程为：
沿着规划移动路径移动核函数，进行所述数字条纹转换，其中，所述数字条纹中的奇数行采用原始非对称误差扩散核函数进行转换，所述数字条纹中的偶数行采用镜像核函数进行转换，其中，所述规划移动路径为：以数字条纹第一行最左侧的像素点作为起始点，从左向右移动，当移动到第一行最右侧的像素点后，跳转到第二行最右侧的像素点，并从右向左移动，当移动到第二行最左侧的像素点后，跳转到第三行的最左侧像素点，从左向右移动，当移动到第三行最右侧的像素点后，跳转到第四行最右侧的像素点，以此类推规划核函数的移动路径。
为了进一步提升二值数字条纹对投影设备离焦量的鲁棒性，将二值数字条纹编码进行相位优化后，获得最终的二值条纹编码，参见图2，具体为：
S301：检测二值数字条纹编码中的相位误差点；
S302：采用三步相移理论求解各相位误差点的相位，每个相位误差点均对应三个像素点，改变每个像素点的状态值，并引入中间灰度信息，共有27种组合状态，计算每种组合状态对应的相位提升率，并将最小相位提升率对应的像素状态作为新的像素，获得新的二值数字条纹编码；
S303：若二值数字条纹编码的全局相位均方根误差提升率大于等于规定阈值，则重复步骤S301、步骤S302，直至二值数字条纹编码的全局相位均方根误差提升率小于规定阈值，获得最终的二值条纹编码。
上述相位优化过程，以高斯函数作为离焦设备的数学模型，通过调节高斯函数的窗口与标准差，改变离焦量，并设定相位误差为对比量，在固定离焦条件下，检测相位误差点，根据相位提升率，以此调整像素的状态。其中，引入中间灰度信息，由于原二值信息状态为0和1，因此设中间灰度信息为0.5，针对原状态依次进行状态转变，计算每一次转变对应的相位均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)，保留RMSE最小时对应的像素转换状态，实现整体的最终优化编码，同时在原二值数字条纹的基础上构建三级数字条纹。
其中，步骤S301中，所述检测二值数字条纹编码中的相位误差点，具体为：
根据相移理论，分别得到二值数字条纹编码中每个像素点的相位φi(x,y)以及离焦条件下二值数字条纹编码中每个像素点的相位φd(x,y)；
计算二值数字条纹编码中每个像素点中标准相位与离焦条件下相位的相位差绝对值，并与阈值比较，若小于阈值则不是误差点，否则为误差点。
上述相位优化过程中，本实施方案构建了相位提升率函数，具体如下：
(1)通过比较滤波后的离焦后数字条纹与标准正弦数字条纹确定光强误差优化函数。如果已知标准正弦数字条纹的光强和离焦后数字条纹的光强，则可以确定对应像素点的光强差。由于采用迭代法逐一确定误差像素点，因此，通过第n-1次与第n次对应的光强误差，可以确定第n次的光强优化函数其中，/>和/>分别为第0次、第n-1次和第n次的光强误差。
(2)通过比较滤波后的数字条纹与标准正弦数字条纹确定相位误差优化函数。相位误差优化函数的设计方法与光强误差优化函数相似，通过第n-1次和第n次的相位误差，可以确定第n次转变的相位提升率其中，/>和/>分别为第0次、第n-1次和第n次的相位误差。
(3)通过引入加权值的形式确定误差优化函数。为了同时兼顾离焦数字条纹的光强精度与相位精度，因此构建加权误差优化函数Ef＝ωn×RI+ωm×Rφ，其中ωn和ωm是优化函数的加权因子且要求ωn+ωm＝1。
下面以具体的实施例对本发明进行进一步的解释说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。
如图3所示为本实施例采用的非对称误差扩散核函数Sierra Lite，由于SierraLite是典型的非对称误差扩散核函数，因此通过Sierra Lite误差扩散核函数针对每个像素进行二值转换，并将误差扩散到周围的像素。根据误差扩散原理，Sierra Lite的误差传递矩阵可以表示为：
设定a(m,n)表示灰度图像的像素灰度值，b(m,n)表示新的灰度值，该灰度值由原像素灰度值和扩散到该像素的误差相加求得；设D[]表示灰度值与阈值对比过程，c(m,n)表示转换的二值信息，e(m,n)表示原图像与二值信息的差值，f(g,h)表示误差扩散的方式。
根据上述处理过程，将灰度数字条纹量化为0或1二值信息，依据这种量化算法对整幅图像进行处理后，就能实现图像灰度级从高到低的减少，该算法的误差传播原理可以表示如下：
e(m,n)＝b(m,n)-c(m,n)＝a(m,n)+∑f(m,n)·e(m-g,n-h) (2)
由于Sierra Lite误差扩散核函数的误差分配比例不对称，会产生编码条纹存在误差分配的非对称性。如果误差函数扫描方向是从全局图像的左上方开始，随着误差函数的扫描，扩散的误差会向右下方传递，最终导致离焦数字条纹出现相位误差。因此参见图4所示，本实施例提出一种非对称核函数的移动方法，具体包括如下步骤：
1)针对非对称核函数的编码原理，根据非对称核函数调整误差分配比例，求解镜像核函数。
2)针对待处理的竖直条纹，以每一行进行核函数处理，将全局条纹分为奇数行和偶数行，对全局数据条纹进行转换，针对奇数行，选取原误差核函数，同时针对偶数行，选取镜像核函数。
3)转换过程以左上角第一个像素作为起始点，沿着规定的移动方向，从左向右移动核函数，当移动到第一行最右侧像素点时，转到第二行的最右侧像素点，并从右向左移动，当移动到第二行最左侧的像素点时，跳转到第三行的最左侧像素点，这样以此类推规划核函数移动方向。
针对竖直正弦数字条纹，以数字条纹图像的最左上角作为起始点，以行为单位，移动核函数，并根据数字条纹的行数变化，选取对应的误差扩散函数，依据核函数的处理原则，计算每个像素的对应的二值信息，根据误差扩散函数的误差分配比例，将每个像素的误差分配到对应的像素中，得到全局的二值数字条纹，在轻度离焦条件下，对比不同移动方向的编码条纹对比相位精度。
通过规划路径编码方法，能够有效克服误差传播非对称的影响，但是由于二值条纹需要采用离焦技术，生成近似正弦数字条纹，因此周期将影响近似正弦条纹的相位精度。参见图5为不同函数权值条件下的RMSE对比图，为了进一步提高离焦后的相位精度，需要对离焦数字条纹的相位精度进行优化，具体包括如下步骤：
1)分别设Ic(x,y)表示标准正弦条纹对应像素的光强，Id(x,y)表示离焦后的数字条纹的光强，在离焦条件下，通过比较离焦后的数字条纹与标准同周期正弦条纹，确定光强误差eI(Ic,Id)。
2)分别设第0次、第n-1次和第n次的光强误差分别为和求取第n次转变的光强提升率RI可以表示为：
3)基于同样的原理，通过比较离焦DFP与标准正弦DFP可以确定相位误差
4)参考步骤2)，分别设第0次、第n-1次和第n次的相位误差分别为和/>那么第n次转变的相位提升率/>可以表示为：
5)结合上述光强提升率和相位提升率，构建加权误差优化函数Ef＝ωn×RI+ωm×Rφ，其中ωn和ωm是优化函数的加权因子且要求ωn+ωm＝1，根据优化条件和参数设定，在不同周期与离焦量条件下对比RMSE，并根据对比值选取最优的加权因子。
通过规划路径编码方法，能够有效克服误差传播非对称的影响，但是由于二值数字条纹需要采用离焦技术，生成近似正弦数字条纹，因此周期将影响近似数字条纹的相位精度。为了进一步提高离焦之后的相位精度，需要对离焦数字条纹的相位精度进行优化。
相位优化流程如下：
1)检测全局像素相位误差像素点。根据相移理论，分别得到标准正弦DFP相位φi(x,y)，以及离焦条件下的二值DFP相位φd(x,y)。针对对比的每一个像素点(x,y)，计算相应的相位差绝对值，并依据相应阈值，判断误差点。
2)相位函数优化。采用三步相移理论求解相位，通过误差检测，每一个误差相位都对应三个像素点，通过改变每一个像素点的状态值，并引入中间灰度信息，共有27种状态，针对每一种状态，计算每一种组合误差优化后的目标函数值，并将最小的优化函数值对应的像素状态作为新的像素。
3)优化迭代。以全局相位均方根误差提升率为标准，通过迭代第1步至第3步，直至提升率小于规定的阈值。
4)优化条纹编码。通过对全局误差像素的转变和优化，最终得到优化后的二值DFP。
本实施例对传统的数字条纹存在非对称相位误差，提出一种规划移动路径条件下的编码方法，生成对称数字条纹。为了进一步提高对称数字条纹的相位精度，通过相位优化函数进行优化。实验结果表明，本实施例提出的方法能够有效解决传统编码方法存在的非对称问题，同时通过相位优化函数，提高相位精度及其对条纹周期和离焦量的鲁棒性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：获取原始非对称误差扩散核函数，并依据所述原始非对称误差扩散核函数求解获得镜像核函数；
S2：根据原始非对称误差扩散核函数、镜像核函数以及规划移动路径，对数字条纹进行转换，获得二值数字条纹编码；
S3：将所述二值数字条纹编码进行相位优化后，获得最终的二值条纹编码。
2.根据权利要求1所述基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，其特征在于，步骤S2中，所述根据原始非对称误差扩散核函数、镜像核函数以及规划移动路径，对数字条纹进行转换，获得二值数字条纹编码，具体为：
沿着规划移动路径移动核函数，进行所述数字条纹转换，其中，所述数字条纹中的奇数行采用原始非对称误差扩散核函数进行转换，所述数字条纹中的偶数行采用镜像核函数进行转换。
3.根据权利要求2所述基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，其特征在于，所述规划移动路径为：以数字条纹第一行最左侧的像素点作为起始点，从左向右移动，当移动到第一行最右侧的像素点后，跳转到第二行最右侧的像素点，并从右向左移动，当移动到第二行最左侧的像素点后，跳转到第三行的最左侧像素点，从左向右移动，当移动到第三行最右侧的像素点后，跳转到第四行最右侧的像素点，以此类推规划核函数的移动路径。
4.根据权利要求1所述基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，其特征在于，步骤S3中，所述将所述二值数字条纹编码进行相位优化后，获得最终的二值条纹编码，具体为：
S301：检测二值数字条纹编码中的相位误差点；
S302：采用三步相移理论求解各相位误差点的相位，每个相位误差点均对应三个像素点，改变每个像素点的状态值，并引入中间灰度信息，共有27种组合状态，计算每种组合状态对应的相位提升率，并将最小相位提升率对应的像素状态作为新的像素，获得新的二值数字条纹编码；
S303：若二值数字条纹编码的全局相位均方根误差提升率大于等于规定阈值，则重复步骤S301、步骤S302，直至二值数字条纹编码的全局相位均方根误差提升率小于规定阈值，获得最终的二值条纹编码。
5.根据权利要求4所述基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，其特征在于，步骤S301中，所述检测二值数字条纹编码中的相位误差点，具体为：
根据相移理论，分别得到二值数字条纹编码中每个像素点的相位φi(x,y)以及离焦条件下二值数字条纹编码中每个像素点的相位φd(x,y)；
计算二值数字条纹编码中每个像素点中标准相位与离焦条件下相位的相位差绝对值，并与阈值比较，若小于阈值则不是误差点，否则为误差点。
6.根据权利要求4所述基于非对称误差扩散核函数的结构光编码方法，其特征在于，所述相位提升率的计算公式为：
其中，为相位提升率、/>和/>分别为第0次、第n-1次和第n次的相位误差。
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