CN116839509A - 一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法 - Google Patents

一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，对单周期连续的正弦条纹进行规律采样，将采样后离散点在时间域上划分成8个相同区间，然后在与之对应的4个灰度区间内分别进行采用蛇型路径扫描误差扩散算法处理生成对应的二值图像，最后将4幅二值图像投射测量物体表面，采集、叠加即可获得高质量的正弦条纹图像；通过四张二值抖动条纹系数叠加代替一张正弦条纹的方式进行三维测量，在避免传统正弦条纹测量引入非线性误差的同时，有效提高投影效率，进而提高测量速度；使用的条纹编码能够获得高质量相位，在测量精度、条纹正弦性方面均优于传统正弦相移方法。

Description

一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法
技术领域
本发明属于结构光三维测量领域，具体涉及一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法。
背景技术
伴随着工业的发展以及相关科技水平的提高，三维测量技术广泛应用于生物医学、机器视觉、工业生产质量检测、文物重建、AR旅游等领域。条纹投影轮廓术作为一种主动式光学三维测量技术，具有精度高、非接触、成本低、结构简单、测量速度快等优点，向测量物体表面投射条纹，从采集的变形条纹图像获取相位信息，对物体进行三维重建。
传统方法投射8位正弦条纹，极大影响整个系统的测量速度，同时，数字投影仪自身设置的Gamma值使得投射的正弦条纹失去良好的正弦性，在测量过程中引入非线性误差。二值条纹灰度值只有0和255，有效避免投影仪的非线性效应，并且数字投影仪投射二值条纹的速率能够满足高速测量的需求，因此二值条纹投影技术在条纹投影三维测量邻域得到广泛关注。Ayubi等将单周期正弦条纹0到255的灰度值的点通过八张二进制图像上对应点进行叠加（Ayubi G A, Di Martino J M, Alonso J R, et al. Three-dimensionalprofiling with binary fringes using phase-shifting interferometry algorithms[J]. Applied Optics, 2011, 50(2): 147-154.），图像通过八张二进制图像叠加表示，但实际测量中模糊的条纹可能会引起编码错误，进而导致测量范围受到系统景深的限制。误差扩散算法是一种图像半色调处理技术，通过将误差扩散到周围像素点来逐渐逼近目标灰度值，从而实现图像半色调处理效果。Wang等使用Bayer抖动算法将正弦图案处理成二值抖动图案，（Wang Y, Zhang S. Three-dimensional shape measurement with binarydithered patterns[J]. Applied optics, 2012, 51(27): 6631-6636.）微离焦和宽条纹间距的条件下，投射的二值条纹依旧表现出良好的正弦性，但Bayer有序抖动算法对正弦条纹图案的周期性和对称性产生一定程度上的影响。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，对二值编码的条纹图案使用误差扩散算法进行处理生成二值条纹图像，避免三维测量系统中非线性影响，降低测量误差。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，包括以下步骤：
步骤一：根据使用投影仪输入分辨率确定条纹图像宽度M，高度N，正弦条纹周期数a；
步骤二：根据像素宽度M和正弦条纹周期数a计算出一个周期内像素点个数T=M/a；
步骤三：根据步骤一和步骤二，对单周期为T的标准正弦条纹采样T个灰度值对称的像素点，设置阈值在时间域上将一个周期内采样像素点划分为8个区域；
步骤四：8个区域对应四个灰度值区间，取每个灰度区间上下边界值之差的一半作为该区间的量化阈值，采用蛇型路径扫描误差扩散算法处理生成对应的二值条纹；
步骤五：将4张二值条纹按顺序投影到测量物体表面，对采集到的图片进行系数叠加，获得包含物体高度信息的正弦条纹图像。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤三中，标准正弦条纹通过如下公式获取：
；其中/>为标准正弦函数，/>为时间域数值。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤三中，采样T个灰度值对称的像素点，像素点时间域值x取值公式如下：。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤三中，设置阈值在时间域上将采样像素点划分，阈值/>取值公式如下：/>。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤四中，取每个灰度区间上下边界值之差的一半作为该区间的量化阈值，/>公式如下：
；
其中第n幅二值图像的量化误差，/>为标准正弦函数。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤四中，蛇型路径扫描误差扩散算法公式如下；
；
其中为误差扩散后的图像，/>为原始灰度图像，/>为量化误差，为将量化误差按一定比例扩散至相邻像素点的核函数，/>为误差扩散处理范围大小。蛇形路径扫描即为奇数行向右扩散，偶数行向左扩散，奇数行扩散核如下所示：
；
偶数行扩散核如下所示：
；
其中“-”表示算法已处理的像素点，“*”表示算法当前处理的像素点，与之相邻的数值为分配给周围像素点的量化误差比例。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤五中，对采集到的图片进行系数叠加，叠加公式如下所示：；其中/>为第个灰度区间对应的二值图像，/>为黑色图像，消除实际采集过程中黑色光强值不为0带来的测量误差，/>为正弦条纹周期。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明使用二值编码结合误差扩散算法生成二值条纹，通过四张二值抖动条纹系数叠加代替一张正弦条纹的方式进行三维测量，在避免传统正弦条纹测量引入非线性误差的同时，有效提高投影效率，进而提高测量速度。本发明使用的条纹编码能够获得高质量相位，在测量精度、条纹正弦性方面均优于传统正弦相移方法。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例一个周期内二值编码结合误差扩散原理；
图3为本发明实施例二值编码结合误差扩散条纹示意图；
图4为本发明实施例的蛇形路径扫描示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明所述的二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，流程如图1，首先对单周期连续的正弦条纹进行规律采样，将采样后离散点在时间域上划分成8个相同区间，然后在与之对应的4个灰度区间内分别进行采用蛇型路径扫描误差扩散算法处理生成对应的二值图像，最后将4幅二值图像投射测量物体表面，采集、叠加即可获得高质量的正弦条纹图像。所提方法生成的正弦条纹相比传统四步相移算法，能够有效提高测量精度，具有良好的正弦性，降低相位误差。
0016.本发明所述的二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，包括以下步骤：
步骤一：根据使用投影仪输入分辨率确定条纹图像宽度M，高度N，正弦条纹周期数a；
步骤二：根据像素宽度M和正弦条纹周期数a计算出一个周期内像素点个数T=M/a；
步骤三：根据步骤一和步骤二，对单周期为T的标准正弦条纹采样T个灰度值对称的像素点，标准正弦条纹灰度值通过以下公式获得：
其中为标准正弦函数，/>为时间域数值。本实例中条纹宽度为128，高度为128，周期数为8，周期为16。
设置阈值在时间域上将单周期采样像素点划分为8个区域,阈值/>通过以下公式获得：
步骤四：8个区域对应四个灰度值区间，取每个灰度区间上下边界值之差的一半作为该区间的量化阈值，/>通过以下公式获得：
采用蛇型路径扫描误差扩散算法处理生成对应的二值条纹；
蛇型路径扫描误差扩散算法公式如下：
为误差扩散后的图像，/>为原始灰度图像，/>为量化误差，/>为将量化误差按一定比例扩散至相邻像素点的核函数，/>为误差扩散处理范围大小。
0018.蛇形路径扫描即为奇数行向右扩散，偶数行向左扩散，奇数行扩散核如下所示：
偶数行扩散核如下所示：
“-”表示算法已处理的像素点，“*”表示算法当前处理的像素点，与之相邻的数值为分配给周围像素点的量化误差比例。图2为扫描路径示意图。
步骤五中，将设计的4幅二值条纹进行序列投影，对采集到的图片进行系数叠加，得到包含物体高度信息的正弦条纹图像。图3、图4为二值编码结合误差扩散算法原理图和条纹示意图。
基于上述步骤，即所提出的二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，使用误差扩散算法对二值编码的条纹进行处理获得二值条纹图像，再将采集的二值条纹图像进行叠加，可以得到包含物体高度信息的正弦条纹图像。将投影传统灰度正弦条纹图像改为投影二值条纹图像，有效减小了系统非线性误差。通过四张二值抖动条纹系数叠加代替一张正弦条纹的方式进行三维测量，在避免传统正弦条纹测量引入非线性误差的同时，有效提高投影效率，进而提高测量速度。本发明使用的条纹编码能够获得高质量相位，在测量精度、条纹正弦性方面均优于传统正弦相移方法。
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 (7)

1.一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据使用投影仪输入分辨率确定条纹图像宽度M，高度N，正弦条纹周期数a；
步骤二：根据像素宽度M和正弦条纹周期数a计算出一个周期内像素点个数T=M/a；
步骤三：根据步骤一和步骤二，对单周期为T的标准正弦条纹采样T个灰度值对称的像素点，设置阈值在时间域上将一个周期内采样像素点划分为8个区域；
步骤四：8个区域对应四个灰度值区间，取每个灰度区间上下边界值之差的一半作为该区间的量化阈值，采用蛇型路径扫描误差扩散算法处理生成对应的二值条纹；
步骤五：将4张二值条纹按顺序投影到测量物体表面，对采集到的图片进行系数叠加，获得包含物体高度信息的正弦条纹图像。
2.根据权利要求1所述的一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，其特征在于：所述步骤三中，标准正弦条纹通过如下公式获取：
；
其中为标准正弦函数，/>为时间域数值。
3.根据权利要求1所述的一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，其特征在于：所述步骤三中，采样T个灰度值对称的像素点，像素点时间域值x取值公式如下：
。
4.根据权利要求1所述的一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，其特征在于：所述步骤三中，设置阈值在时间域上将采样像素点划分，阈值/>取值公式如下：
。
5.根据权利要求2所述的一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，其特征在于：所述步骤四中，取每个灰度区间上下边界值之差的一半作为该区间的量化阈值，/>公式如下：
；
其中第n幅二值图像的量化误差，/>为标准正弦函数。
6.根据权利要求1所述的一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，其特征在于：所述步骤四中，蛇型路径扫描误差扩散算法公式如下；
；
其中为误差扩散后的图像，/>为原始灰度图像，/>为量化误差，/>为将量化误差按一定比例扩散至相邻像素点的核函数，/>为误差扩散处理范围大小，蛇形路径扫描即为奇数行向右扩散，偶数行向左扩散，奇数行扩散核如下所示：
；
偶数行扩散核如下所示：
；
其中“-”表示算法已处理的像素点，“*”表示算法当前处理的像素点，与之相邻的数值为分配给周围像素点的量化误差比例。
7.根据权利要求1所述的一种二值编码结合误差扩散算法的三维测量方法，其特征在于：所述步骤五中，对采集到的图片进行系数叠加，叠加公式如下所示：
其中/>为第/>个灰度区间对应的二值图像，/>为黑色图像，消除实际采集过程中黑色光强值不为0带来的测量误差，/>为正弦条纹周期。
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