CN104200456A - 一种用于线结构光三维测量的解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明是三维传感技术中一种针对线结构光图案的解码方法。用投影设备对被测物体进行线扫描，用摄像装置记录下线结构光图像序列，采用阈值法对图像序列进行预处理，滤除图像中信噪比偏低的背景区域，对预处理后的图像序列进行加权求和以及点除运算得到投影空间坐标图，最后利用摄像空间与投影空间的坐标对应关系和***标定参数获得被测物体表面的三维坐标。本发明可用于包括激光线扫描的线结构光三维测量技术。本发明解码方案具有计算效率高、抗干扰能力强和测量精度高的优点。

Description

一种用于线结构光三维测量的解码方法

技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及通过投影线结构光实现对目标物体表面的三维测量。

背景技术

本发明涉及光学三维测量中线结构光图案的解码方案。结构光三维测量是用投影装置向目标物体投射结构光编码图案，再用摄像装置同步拍摄，通过解码得到摄像空间与投影空间的对应关系，进而利用三角原理获得目标物体的三维坐标。线结构光扫描，特别是激光线扫描，被广泛应用于工业三维测量。现有线结构光图案的解码方案主要是基于对摄像装置获取的激光条纹的峰值进行检测。例如Rubén Usamentiaga等在论文“Fast and robust laser stripe extraction for 3D reconstruction in industrial environments[J]. Machine Vision and Applications, 2012, 23(1): 179-196”中介绍了一种激光线扫描三维测量的解码方法，该方法主要分为激光条纹峰值检测和激光条纹的连接两个部分。激光条纹峰值检测通过对摄像头图像进行阈值分割确定激光条纹所在的高亮度区域，同时过滤无激光区域以及信噪比较低的区域；然后在激光条纹区域通过质心检测得到激光线的峰值点。在激光条纹的连接步骤中，首先对检测到的激光线进行分段，每一段用多项式或样条曲线进行参数化表示；其次判断并去除激光线中的异常点；最后根据邻域信息对激光曲线段之间的缺口进行插值；这样就在摄像头图像中得到了完整的激光条纹的位置信息。其方法存在以下缺陷：（1）需要进行峰值检测、曲线拟合、异常点检测与间断点插值等一系列图像处理步骤，计算过程繁琐，计算效率不高。（2）峰值检测等解码过程受环境光、被测物体反射率不一致等干扰因素影响较大，抗干扰能力较弱。（3）激光条纹的峰值检测精确度受图像获取条件影响较大，曲线参数化和间断点插值过程也引入了误差，导致该方法精确度有限。如何克服现有解码方法计算效率低、抗干扰能力弱、精度有限的缺点，在保证测量精度的同时提高解码效率以及增强抗干扰能力，应用本发明提及的方案就可以解决这一关键技术问题。 

发明内容

本发明的目的是针对目前用于线结构光三维测量的解码方案计算效率低、抗干扰能力弱、精度有限的缺陷，提供一种新的解码方法，该方法在达到较高测量精度的同时具有很高计算效率和很强的抗干扰能力。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：

用投影设备对被测物体进行线扫描，用摄像装置记录下线结构光图像序列，对图像序列预处理，采用阈值法提取图像中的扫描线区域，并将扫描线以外的像素区域灰度值设置为0，预处理后的图像序列表示为                                                ，用扫描线在投影空间中的位移作为权值对图像序列加权求和得到图像，对图像序列直接求和得到图像，用点除得到投影空间坐标图，最后利用摄像空间与投影空间的对应关系和***标定参数确定被测物体表面的三维坐标。

本发明与现有技术相比有如下优点：

与现有线结构光解码方法相比，因为本发明不需要进行峰值检测、曲线拟合、异常点检测与间断点插值等一系列繁琐的图像处理步骤，只涉及对图像序列的（加权）求和运算以及对两幅图的点除运算，所以计算效率更高；由于本发明在对图像序列的处理过程中不涉及邻域操作，即对每个像素点的操作是独立进行的，所以抗干扰能力更强，***运行更稳定；本解码方法得到的摄像空间与投影空间的对应关系具有子像素精度，从而能保证较高的三维测量精确度。

附图说明

图1为本发明三维测量***结构图。

图2为本发明三维测量方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图、工作原理对本发明作进一步详细说明。

附图1为本发明三维测量***结构图。采用的装置有1台CASIO XJ-M140投影机，投影机缓存帧大小为像素，灰度量化等级为8bit，投影机最大输出频率为150帧/s；1个Prosilica GC650工业摄像头，分辨率为像素，灰度量化等级为8bit，摄像头最大捕捉频率为62帧/s。1台具有Core i3 3530 CPU，4GB内存的计算机。由计算机对结构光投影和拍摄过程进行控制。附图2为本实施例线结构光三维测量方法流程图。本实例具体实施步骤如下：

（1）对摄像头和投影机进行标定，分别得到摄像头与投影机大小为的投影矩阵、。

（2）生成线结构光图案。垂直方向扫描的线结构光图案序列可以表示为：

                           （1）

其中，表示投影机空间坐标；表示线结构光图案在像素点处的灰度值；为投影线条纹的幅值；表示单位冲击函数，即满足，且当时；表示投影机空间的高度；表示扫描线的位移系数，当分别取时，分别对应扫描线处于第行的图案。这里线结构光图案参数取值为：，。

 （3）对目标物体进行线结构光扫描。用投影机把上述结构光图案序列依次投射到目标物体表面，为了下一步图像预处理的需要，另外分别投射纯黑和纯白两幅图案，纯黑和纯白两幅图案分别表示为和，并用摄像头对目标场景进行同步拍摄。拍摄到的线结构光图像序列表示为，其中表示摄像头空间坐标，表示位移系数为的摄像头图像在像素点处的灰度值。对应纯黑图案和纯白图案的捕捉图像分别表示为和。

 （4）对拍摄图像序列进行预处理。首先用下式对线结构光图像序列进行规范化处理：

                                              （2）

其中表示规范化后的图像序列在的灰度值，的取值范围为[0,1]。用自定义阈值确定拍摄图像序列信噪比低的区域，即

                                            （3）

其中坐标集合表示拍摄图像中信噪比低的区域，自定义阈值取0.06。然后通过把区域内像素点的灰度值设置为0，滤除信噪比较小的背景区域，处理过程如下式所示：

      （4）

其中，表示预处理后的图像序列在处的灰度值。

 （5）用预处理后的图像序列解码得到投影空间坐标图，即得到摄像空间与投影空间的坐标对应关系。解码公式为：

                                                （5）

其中，表示与摄像头像素点对应的投影机像素点纵坐标，式（5）等号右端分子部分是以位移系数作为权值对图像序列的加权求和，分母部分是对图像序列的直接求和。

（6）根据摄像空间与投影空间的坐标对应关系以及***标定参数和可以计算出被测物体表面的三维坐标。具体计算方法在论文“Li J, Hassebrook L G, Guan C. Optimized two-frequency phase-measuring-profilometry light-sensor temporal-noise sensitivity[J]. JOSA A, 2003, 20(1): 106-115.”中有详细介绍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于线结构光三维测量的解码方法，其特征在于用投影设备对被测物体进行线扫描，用摄像装置记录下线结构光图像序列，对图像序列预处理，使每幅图像背景区域的像素值为0，预处理后的图像序列表示为 ，用扫描线在投影空间中的位移作为权值对图像序列加权求和得到图像，对图像序列直接求和得到图像，用点除得到投影空间坐标图。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的用投影设备对被测物体进行线扫描，包括用激光扫描装置对被测物体进行激光线扫描、用投影机向被测物体投射采用计算机设计编码的线结构光图案。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的对图像序列预处理，是采用阈值法提取图像中的扫描线区域，并将扫描线以外的像素区域灰度值设置为0，目的是消除无关区域对解码的影响。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说用点除得到投影空间坐标图，目的是获取摄像空间坐标与投影空间坐标的对应关系，进而根据***标定参数确定被测物体表面的三维坐标。