二值时空编码照明三维测量中的冗余编码方法

　　0　引言

　　光学三维测量技术以其非接触、无损伤、准确度高、测量柔性好等优点[1],被广泛应用于机器视觉[2]、工业检测[3]、自动化控制加工、产品质量控制、国防高技术、公安、实物仿形[4]、生物医学[5]、计算机三维动画制作等领域.在现有的众多光学三维测量方法中[6-8],基于结构光编码照明的主动式测量方法,由于其系统构成相对简单、成本较低、测量速度较快,近年来受到越来越多的关注.结构光编码方案可分为时间编码方案,空间邻域编码方案和直接编码方案三类[9].其中时间编码方案测量可靠性和准确度高,但测量时间长;空间邻域编码方案和直接编码方案测量速度快、密度高,但测量准确度和可靠性相对较低.二值时空编码照明方法结合了时间和空间编码方案,在相同测量密度和准确度下,采用的模式数比时间编码方案少,因而缩短了测量时间,并且可以同时得到物体的二维纹理[10].然而采用原有编码方案,阴影、特别是遮挡和物体表面反射率突变区域附近存在较多解码错误或无法解码的情况.因此,有必要对原编码方案进行改进,提高测量的可靠性和数据密度.

　　本文根据二值时空编码方案的特点,将原来作为间隔单元的三个模式进行编码,码值与空间上右边编码单元的值相同,实现冗余编码.给出了编码原理和实验结果.实验结果显示,采用冗余编码方案后得到了更好的结果,说明这种改进是可行的.

　　1　原理

　　1.1　系统构成

　　图1为二值时空编码照明三维测量系统结构示意图.它主要由投影仪和摄像机构成,由投影仪投出编码模式,摄像机在另一角度拍摄被物体表面高度调制的变形模式.利用计算机对变形模式解码,得到投影仪和摄像机像面之间的对应点对.根据三角测量原理,得到物体表面的三维信息[11].

　　1.2　时空二值编码原理

　　通常光栅投影三维测量技术只对投影仪像素一个方向的坐标编码,这里以对水平方向坐标编码为例说明时空二值编码原理,它同样适用于垂直坐标编码.为说明编码的构成方式,取投影平面上某一行相邻的18个投影仪像素所构成的三个编码区域为例.图2为编码原理示意图.图中每个码字占六个投影仪像素,在空间上按从左至右的顺序,前三个像素为间隔单元,后三个像素为编码单元,相邻单元用虚线隔开.

　　码值由编码单元的时空坐标构成.代码构成的原则是:1)空间上,一个模式中,每个单元内有且只有一个像素是白色的,其它为黑;2)时间上,在同一个单元内,每个像素在且只在一个模式中为白色,其它为黑.这样,亮条纹在编码单元中的空间相对位置表示为空间坐标,其所在模式的序号,表示为时间坐标;把时间和空间坐标组合就可以对区域编码.如码字“E”可表示为时空坐标“”,加框部分表示相对空间坐标,未加框的表示时间坐标.其中,“”表示在编码单元中,按从左到右的顺序,第一个像素在第二个模式中为“白色”,即其空间时间坐标为(1,2);以此类推,第二和第三像素的空间时间坐标为(2,3)和(3,1).同理,可得到其它码字.根据排列知识,可以得到3! = 6个码字.分别用字母“A”—“F”表示.表1为不对间隔单元编码时,时空坐标与码字对照表.表中将像素的时间坐标按其空间坐标顺序排列.