CN201138194Y - 基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置 - Google Patents

Abstract

基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，结构光编码法装置研究的主要问题是在通过标定获得系统参数的前提下，确定图像采样点并将其与物面采样点、编码图案中编码条纹区域(即投射角)对应起来。编码方法可分为时间编码、空间编码和直接编码，三者各具优缺点。本产品组成包括：投射编码图案的DLP投射器(2)，所述的投射编码图案的DLP投射器(2)通过电线与一个产生编码图案的计算机(1)联接，所述的一个产生编码图案的计算机(1)通过电线与一组采集编码图像的数字摄像机(3)联接。本装置在工业生产和现实生活中有着广阔的应用前景。

Description

基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置

技术领域：

本发明涉及一种基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，涉及视觉传感测量技术与系统、三维信息采集与重构领域。

背景技术：

在非接触三维测量技术中，光学三维测量技术是获取物体三维信息最有效的手段之一，它无需接触被测物表面。目前视觉三维检测技术的重点发展方向包括结构光、立体图像、莫尔法、全息法、激光雷达等方法，其中结构光法显示了在分辨率及测量速度上的优势。

结构光法是将投射器发出的光经过光学系统形成点、线、编码图案等形式投向景物，在景物上形成图案并由摄像机摄取，而后由图像根据三角法和传感器结构参数进行计算、得到景物表面的深度图像，进一步计算出物面的三维坐标值。

在结构光法中，相比投射点、线光束的结构光扫描法，结构光编码法向景物投射编码图案，大大提高了测量速度并解决了扫描法图案混淆问题，因此结构光编码法以其准确度高、测量速度快、成本低等优点在三维重构、工业测量等领域有着广泛的应用前景。

结构光编码法研究的主要问题是在通过标定获得系统参数的前提下，确定图像采样点并将其与物面采样点、编码图案中编码条纹区域(即投射角)对应起来。编码方法可分为时间编码、空间编码和直接编码，三者各具优缺点。

空间编码是将一幅按某种方式编码的图案向景物投射、得到一幅对应的编码图像，将编码图像与编码方式对照进行解码，从而解决两者对应问题。空间编码具有适合于动态测量的优点，但存在分辨率较低、受景物表面反射率不一致及颜色的影响等缺点。

时间编码是将多个不同的编码图案按时序先后投射到物体表面、得到相应的编码图像序列，将编码图像序列组合起来进行解码，从而解决投射图案和采集图像的对应问题。此类方法具有准确度高、分辨率高等优点。目前时间编码较多采用灰度条纹结合格雷码及相移技术进行编码，由于基于CCD的摄像机拍摄的条纹图案通常存在将灰度编码中条纹间的边界向暗条纹一边移动的缺点，无法得到精确的条纹定位从而影响三维测量精度。

发明内容：本实用新型的目的是提供一种克服由于基于CCD的摄像机拍摄的条纹图案通常存在将灰度编码中条纹间的边界向暗条纹一边移动的缺陷，提取绿条纹中心得到精确的条纹定位从而提高三维测量精度的装置。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，其组成包括：投射编码图案的DLP投射器，所述的投射编码图案的DLP投射器通过电线与一个产生编码图案的计算机联接，所述的一个产生编码图案的计算机通过电线与一组采集编码图像的数字摄像机联接。

所述的基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，所述的DLP投射器与水平面成锐角或直角，所述的与水平面成锐角的摄像机与被照射物体和所述的DLP投射器呈三角形位置。

所述的基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，所述的DLP投射器发出的光束范围为45°，所述的摄像机发出的光束为40°。

本实用新型的有益效果：

1.最大限度减少颜色之间的模糊，提高条纹检测的抗干扰能力，解码更可靠。

2.条纹解码值只与其前几幅投射的相应条纹颜色值有关，与其相邻像素颜色无关，避免当物体表面不连续或非常陡峭时由于条纹压缩严重或丢失产生的解码误差。

3.采用亚象素定位技术提高绿中心，提供条纹定位精度，保证图像采样点与物面采样点的一一对应。

4.解码值可用其相邻像素的码值进行自检，如出现错误码值可用其相邻像素码值的平均值来修正。

附图说明：

图1是二进制灰度格雷码编码。

图2是红蓝二色格雷码编码，其中红色用1指出的剖面线表示，蓝色用2指出的网格表示。

图3是绿条纹格雷码编码，其中红色用1指出的剖面线表示，蓝色用2指出的网格表示，绿色用3指出的密网格表示。

图4是四幅绿条纹中心颜色格雷码编码原理图，其中红色用1指出的剖面线表示，蓝色用2指出的网格表示，绿色用3指出的密网格表示。

图5是码值自检算法实现结果。

图6是本装置的结构示意图。

图7是本装置的结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，其组成包括：投射编码图案的DLP投射器2，所述的投射编码图案的DLP投射器2通过电线与一个产生编码图案的计算机1联接，所述的一个产生编码图案的计算机1通过电线与一组采集编码图像的数字摄像机3联接。

所述的基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，所述的DLP投射器2与水平面成57°或直角，所述的与水平面成60°的摄像机3与被照射物体5和所述的DLP投射器呈三角形位置。摄像机与DLP投射器的距离为300厘米或450厘米。

所述的基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，所述的DLP投射器发出的光束4范围为45°，所述的摄像机发出的光束为40°。

基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置利用绿条纹中心的颜色格雷码编码技术是在二进制灰度格雷码的编码方法基础上改进的。图1是二进制灰度格雷码的编码方法，t1、t2、t3表示投射次序，黑白条纹的码值记为0和1，投射三幅图像可产生23个不同码值代表投射条纹。所有码值按格雷码方式编排，其每相邻两列的码值中只有一位转换误差。这种编码可靠，是一种错误最小化的编码。其循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能。但由于基于CCD的摄像机拍摄的条纹有向暗区域移动的特性，使得解码时产生黑白条纹边界定位误差。因此，本编码方法用颜色代替灰度来编码。图2是用红、蓝色条纹代替图1中的黑、白色，相应码值同样记为0和1。在每相邻的红蓝条纹中插入一个象素宽的绿条纹，如图3所示在所有相邻红蓝条纹中取其最后一位像素投射绿条纹。从图中看出绿条纹的码值不唯一，可取0或1，其具体判断公式为：

$T_j\left(i\right)=T_0\left(i\right)\⊕T_2\left(i\right)\⊕T_3\left(i\right)......\⊕T_{j-1}\left(i\right)$

$i=\mathrm{1,2,3},...,M;j=\mathrm{2,3,4},...,N---\left(1\right)$

其中T为每幅投射图案中第i列条纹的码值(0或1)，M为绿条纹总数，N为投射条纹图案幅数。

图4为投射4幅16列绿条纹的情况，第一幅中有2列绿条纹，忽略最后一列投射在背景上的绿条纹，只将中间的第8列绿条纹置0。当j＝2时，第4、12列为绿条纹，根据式(1)它们的码值与前一幅相应列的码值相同；当j＝3时，第2、6、10、14列为绿条纹，根据式(1)它们的码值是前两幅投射图案相应列码值异或得到的，分别为0、1、0、1；同样得到第四幅中第1、3、5、7、9、11、13、15列绿条纹的码值，它们的码值由前三幅图案的异或值得到。也就是第j幅绿条纹的编码值是由前[1，...，j-1]幅投射图案中的红蓝编码的异或值决定的。从图2d)中看出所有绿条纹编码值仍然为格雷码，每一列绿条纹的编码唯一且相邻两绿条纹之间的码值只有一位转换误差。解码时绿条纹的码值只依赖于前[1，...，j-1]幅的红蓝条纹码值，与其相邻像素的颜色值没有关系，这可避免当物体表面不连续或非常陡峭时由于条纹压缩严重或丢失产生的解码误差。而且以绿条纹将红蓝区域分开，由于红、绿、蓝条纹同时投射其光照强度是一样的，可以避免CCD摄像机在拍摄灰度条纹时出现的条纹向暗区域移动的缺点，获得准确的条纹定位。

基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置解码时会遇到码值错误的情况。当被测表面非常陡峭，投射的彩色条纹会大大地被压缩。某些情况下，一个或多个彩色条纹会丢失，此时解码的码值不再符合格雷码编码规则，因噪声及其它误差因素会产生一个错误的颜色码值，从而导致错误的重构结果。

为了消除这种误差，针对CCD获取的图像在解码时提出了一种码值自检测算法。这种码值自检测算法仅仅根据解码图像自身实现。这是因为解码图像中某一行中每个象素的码值大小是单调递增的规律来排列的。因此，每个象素的码值可由其相邻象素的码值来检测，

如果在解码过程中出现一尖峰(码值的大小不符合常规情况)，使得象素的码值突然增大或减少很多，这种情况可以根据其相邻象素的码值判断出来，而且可以依据其相邻象素码值的平均值来修正它。

修正时，开始用其相邻的两个象素的码值来自检，如果自检的结果如前所示是错误的码值，则取相邻象素码值的平均值作为错误码值的修正值，再利用更多的相邻象素点来检测是否正确，直到错误的码值被修正。

图5所示为解码图像中某一行象素的自检结果。图中虚线表示原始图像的码值，实线为经过码值自检测算法获得的正确码值，可以清楚地看到通过码值自检测算法处理的图像象素码值单调递增，符合格雷码编码规则。利用这样自检后的象素码值可以重构出正确的结果。

Claims (3)

1.一种基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，其组成包括：投射编码图案的DLP投射器，其特征是：所述的投射编码图案的DLP投射器通过电线与一个产生编码图案的计算机联接，所述的一个产生编码图案的计算机通过电线与一组采集编码图像的数字摄像机联接。

2.根据权利要求1所述的基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，其特征是：所述的DLP投射器与水平面成锐角或直角，所述的与水平面成锐角的摄像机与被照射物体和所述的DLP投射器呈三角形位置。

3.根据权利要求1或2所述的基于绿条纹中心的颜色编码结构光三维测量装置，其特征是：所述的DLP投射器发出的光束范围为45°，所述的摄像机发出的光束范围为40°。

Images