一種用于線結(jié)構(gòu)光三維測量的解碼方法
【專利摘要】本發(fā)明是三維傳感技術(shù)中一種針對線結(jié)構(gòu)光圖案的解碼方法。用投影設(shè)備對被測物體進行線掃描，用攝像裝置記錄下線結(jié)構(gòu)光圖像序列，采用閾值法對圖像序列進行預(yù)處理，濾除圖像中信噪比偏低的背景區(qū)域，對預(yù)處理后的圖像序列進行加權(quán)求和以及點除運算得到投影空間坐標(biāo)圖，最后利用攝像空間與投影空間的坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系和系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)獲得被測物體表面的三維坐標(biāo)。本發(fā)明可用于包括激光線掃描的線結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)。本發(fā)明解碼方案具有計算效率高、抗干擾能力強和測量精度高的優(yōu)點。
【專利說明】一種用于線結(jié)構(gòu)光三維測量的解碼方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)三維傳感技術(shù)，特別是涉及通過投影線結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)對目標(biāo)物體表面的三維測量。

【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及光學(xué)三維測量中線結(jié)構(gòu)光圖案的解碼方案。結(jié)構(gòu)光三維測量是用投影裝置向目標(biāo)物體投射結(jié)構(gòu)光編碼圖案，再用攝像裝置同步拍攝，通過解碼得到攝像空間與投影空間的對應(yīng)關(guān)系，進而利用三角原理獲得目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)。線結(jié)構(gòu)光掃描，特別是激光線掃描，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)三維測量?，F(xiàn)有線結(jié)構(gòu)光圖案的解碼方案主要是基于對攝像裝置獲取的激光條紋的峰值進行檢測。例如Rub6n Usamentiaga等在論文“Fast and robust laser stripe extract1n for 3D reconstruct1n in industrialenvironments[J].Machine Vis1n and Applicat1ns, 2012, 23(1): 179-196”中介紹了一種激光線掃描三維測量的解碼方法，該方法主要分為激光條紋峰值檢測和激光條紋的連接兩個部分。激光條紋峰值檢測通過對攝像頭圖像進行閾值分割確定激光條紋所在的高亮度區(qū)域，同時過濾無激光區(qū)域以及信噪比較低的區(qū)域；然后在激光條紋區(qū)域通過質(zhì)心檢測得到激光線的峰值點。在激光條紋的連接步驟中，首先對檢測到的激光線進行分段，每一段用多項式或樣條曲線進行參數(shù)化表示；其次判斷并去除激光線中的異常點；最后根據(jù)鄰域信息對激光曲線段之間的缺口進行插值；這樣就在攝像頭圖像中得到了完整的激光條紋的位置信息。其方法存在以下缺陷:(1)需要進行峰值檢測、曲線擬合、異常點檢測與間斷點插值等一系列圖像處理步驟，計算過程繁瑣，計算效率不高。(2)峰值檢測等解碼過程受環(huán)境光、被測物體反射率不一致等干擾因素影響較大，抗干擾能力較弱。(3)激光條紋的峰值檢測精確度受圖像獲取條件影響較大，曲線參數(shù)化和間斷點插值過程也引入了誤差，導(dǎo)致該方法精確度有限。如何克服現(xiàn)有解碼方法計算效率低、抗干擾能力弱、精度有限的缺點，在保證測量精度的同時提高解碼效率以及增強抗干擾能力，應(yīng)用本發(fā)明提及的方案就可以解決這一關(guān)鍵技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對目前用于線結(jié)構(gòu)光三維測量的解碼方案計算效率低、抗干擾能力弱、精度有限的缺陷，提供一種新的解碼方法，該方法在達到較高測量精度的同時具有很高計算效率和很強的抗干擾能力。
[0004]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
用投影設(shè)備對被測物體進行線掃描，用攝像裝置記錄下線結(jié)構(gòu)光圖像序列，對圖像序列預(yù)處理，采用閾值法提取圖像中的掃描線區(qū)域，并將掃描線以外的像素區(qū)域灰度值設(shè)置為0，預(yù)處理后的圖像序列表示為
]■?，用掃描線在投影空間中的位移作為權(quán)值對圖像序列it加權(quán)求和得到圖像/γ，對圖像
KKIN序列I;直接求和得到圖像/D,用點除/D得到投影空間坐標(biāo)圖，最后利用攝像空間與投影空間的對應(yīng)關(guān)系和系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)確定被測物體表面的三維坐標(biāo)。
[0005]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點:
與現(xiàn)有線結(jié)構(gòu)光解碼方法相比，因為本發(fā)明不需要進行峰值檢測、曲線擬合、異常點檢測與間斷點插值等一系列繁瑣的圖像處理步驟，只涉及對圖像序列的(加權(quán))求和運算以及對兩幅圖的點除運算，所以計算效率更高；由于本發(fā)明在對圖像序列的處理過程中不涉及鄰域操作，即對每個像素點的操作是獨立進行的，所以抗干擾能力更強，系統(tǒng)運行更穩(wěn)定；本解碼方法得到的攝像空間與投影空間的對應(yīng)關(guān)系具有子像素精度，從而能保證較高的三維測量精確度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為本發(fā)明三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0007]圖2為本發(fā)明三維測量方法的工作流程圖。

【具體實施方式】
[0008]下面結(jié)合附圖、工作原理對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0009]附圖1為本發(fā)明三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。采用的裝置有I臺CAS1 XJ-M140投影機，投影機緩存幀大小為800χ 600像素，灰度量化等級為8bit，投影機最大輸出頻率為150幀/s ;1個Prosilica GC650工業(yè)攝像頭，分辨率為640x 4S0像素，灰度量化等級為8bit，攝像頭最大捕捉頻率為62幀/S。I臺具有Core ?3 3530 CPU，4GB內(nèi)存的計算機。由計算機對結(jié)構(gòu)光投影和拍攝過程進行控制。附圖2為本實施例線結(jié)構(gòu)光三維測量方法流程圖。本實例具體實施步驟如下:
(O對攝像頭和投影機進行標(biāo)定，分別得到攝像頭與投影機大小為3 X 4的投影矩陣M M
VC、%%-p O
[0010](2)生成線結(jié)構(gòu)光圖案。垂直方向掃描的線結(jié)構(gòu)光圖案序列可以表示為:
其中，表示投影機空間坐標(biāo)；/f表示線結(jié)構(gòu)光圖案在像素點處的灰度值；J為投影線條紋的幅值；d-表示單位沖擊函數(shù)，即滿足00)+= I,且當(dāng)X # O時d1x>= O 表示投影機空間的高度；μ表示掃描線的位移系數(shù)，當(dāng)η分別取
0.L.…Hp — I時,/$.'/)分別對應(yīng)掃描線處于第a IHp — I行的圖案。這里線結(jié)構(gòu)光圖案參數(shù)取值為:A = 255 , H9 = 800。
[0011](3)對目標(biāo)物體進行線結(jié)構(gòu)光掃描。用投影機把上述結(jié)構(gòu)光圖案序列/:依次投射到目標(biāo)物體表面，為了下一步圖像預(yù)處理的需要，另外分別投射純黑和純白兩幅圖案，純黑和純白兩幅圖案分別表示為

【權(quán)利要求】
1.一種用于線結(jié)構(gòu)光三維測量的解碼方法，其特征在于用投影設(shè)備對被測物體進行線掃描，用攝像裝置記錄下線結(jié)構(gòu)光圖像序列，對圖像序列預(yù)處理，使每幅圖像背景區(qū)域的像素值為O，預(yù)處理后的圖像序列表示為用掃描線在投影空間中的位移作為權(quán)值對圖像序列t加權(quán)求和得到圖像4，對圖像序列？；直接求和得到圖像iD，用4點除/D得到投影空間坐標(biāo)圖。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的用投影設(shè)備對被測物體進行線掃描，包括用激光掃描裝置對被測物體進行激光線掃描、用投影機向被測物體投射采用計算機設(shè)計編碼的線結(jié)構(gòu)光圖案。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的對圖像序列預(yù)處理，是采用閾值法提取圖像中的掃描線區(qū)域，并將掃描線以外的像素區(qū)域灰度值設(shè)置為O，目的是消除無關(guān)區(qū)域?qū)獯a的影響。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說用/x點除/!>得到投影空間坐標(biāo)圖，目的是獲取攝像空間坐標(biāo)與投影空間坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，進而根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)確定被測物體表面的三維坐標(biāo)。
【文檔編號】G06T7/00GK104200456SQ201410329788
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】劉凱, 龍云飛 申請人:四川大學(xué)