一种基于空间编码的三维轮廓计算机重构方法技术

本发明专利技术属于三维传感与计量技术领域，本方法为：首先采用黑白条纹投影图案对被测空间进行粗略的空间编码，以实现对被测三维轮廓的粗划分，然后再用灰度渐变的图案对所说的粗划分的空间再进行细划分。本发明专利技术具有测量精度高，不受硬件性能限制的特点。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于三维传感与计量
，特别涉及三维物体表面形貌的计算机重构技术。三维物体表面轮廓的计算机重构技术是目前国内外三维传感与计量研究的热点之一，它被广泛地应用于航空航天、机械制造、在线检测与质量控制、医疗诊断、计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)、机器人的视觉系统等领域。基于三角法的空间编码方法是三维形貌重构主要研究方向之一，然而现有的空间编码方法尚存在精度受硬件性能限制大的缺点，因此发展一种高精度的空间编码测量方法，日益受到国内外专家的重视。三角法的工作原理描述如下附图说明图1a是空间坐标系XYZ的XZ平面视图，图1b是YZ平面视图。物点P是被测物体11表面上任意一点，CCD摄象机12和投影仪13放置在物体上方，它们的光轴成一定角度，图中分别将摄象机和投影仪简化成两个透镜。以摄象机镜头中心为原点(0，0，0)，投影仪镜头中心的坐标是(X0，0，Z0)，0是投影仪的光轴与摄象机的光轴的夹角。物点P相对于摄象机镜头的水平视角和垂直视角分别是α和β，相对于投影仪镜头的投影角为。按照投影仪镜头中心、摄象机镜头中心和物点P之间的几何三角关系，设P点的坐标是(X，Y，Z)，可以建立下面的方程组 X＝Z·tgα(2)Y＝Z·tgβ(3)按照上面的方程组，只要已知物点的水平视角、垂直视角和投影角，就可以求出该点的三维位置坐标，其中视角α、β由物点P在摄象机CCD阵列中对应的像素位置给出。CCD摄象机成像关系如图2所示，图中CCD阵列22对应的被测基准面21水平宽度为W，摄像机镜头23到被测基准面21的距离是L，物点P在CCD阵列上水平方向上的像素位置是m，CCD阵列水平方向总像素数是M，则水平视角α表示为α=tg-1(mM·WL)----(4)]]>同理，垂直视角β表示为β=tg-1(nN·HL)----(5)]]>其中，H是摄象机CCD阵列对应的被测基准面垂直高度，n是物点P在CCD阵列上垂直方向上的像素位置，N是CCD阵列垂直方向总像素数。投影角用条纹投影空间编码法求得。空间编码三角法原理如图3所示，LCD投影仪33将投影图案A、B、C依次投影到被测空间31，如图3a所示；CCD摄象机依次记录下三幅灰度图像，如图3b所示；图像a、b、c分别对应图案A、B、C。在一般情况下，摄象机32正对被测空间31放置，投影仪33的光轴与摄象机32的光轴成一定的角度。投影图案中的黑白条在被测空间内形成亮暗条纹，这就在摄象机的图像中形成不同的灰度值。把图像二值化后，高灰度值的亮条纹表示为“1”，低灰度值的暗条纹表示为“0”。这样图像中的每一个像素获得一个三位字长的二进制编码，一个码位对应一幅图，顺序为第一位对应图像a，第二位对应图像b，依次类推。这就是说，不同的投影图案有不同的权，投影图案A的权最高，图案B其次，等等。图3b中，采用的是最简单的二进制码投影图案，第一幅图案A由亮暗两条等宽度的条纹组成，第二幅图案B将第一幅中的两条条纹分别等分成两条亮暗条纹，以后的投影图案均将前一幅图案中的每一条条纹细分成两条等宽的亮暗条纹。图3a中用三幅投影图案将被测空间划分成8个区域d，每个区域用一个三位的二进制码字表示出来。区域0获得的编码是“000”，区域1获得的编码是“001”，区域2获得的编码是“010”，等等。然后将每个区域获得的二进制编码转换成该区域对应的投影码，这个过程称为译码。可以通过建立译码表或译码公式两种方法来完成译码过程。图3中投影图案的译码表表示如下表1译码表 按照上面的译码表编写搜寻译码程序，由计算机完成译码过程。二进制码投影图案还可以建立译码公式Np＝Nd-2n-1+0.5 (6)其中，Np是投影码，Nd是十进制编码，n是二进制码投影图案幅数。有了投影码，通过下面的关系式就可以求出投影角。 其中，L是镜头到被测基准面的距离，K是投影条纹在被测基准面上划分的子区域的宽度。条纹投影空间编码是用条纹的空间分布将被测空间划分成许多子区域，子区域的宽度决定该方法的空间分辨率，表示为S=12·h0nw·sin(a)----(8)]]>其中，S表示系统的空间分辨率，h0是测量空间的高度，a是摄象机与投影仪之间的夹角，nw是编码的码字数目。当nw增加时，系统的测量误差减小。但是不能无限制地增加nw，由于采样定理的限制，摄象机的采样频率应该是投影仪对物体表面的区域划分频率的两倍以上，也就是编码要满足投影条纹划分的最小区域的宽度至少二倍于一个像素视野宽度，所以nw不能取得太大。如果要进一步提高空间分辨率，就必须提高硬件设备的性能，选用具有更高光学分辨率的LCD投影仪和CCD摄象机。然而，这样将大幅度增加系统的成本。本专利技术的目的在于克服已有纯粹黑白条纹投影法空间分辨率受硬件性能限制的不足之处，提出一种通过黑白条纹与灰度条纹结合的三维轮廓重构方法，具有测量精度高，不受硬件性能限制的特点。本专利技术提出的，其特征在于首先采用黑白条纹投影图案对被测空间进行粗略的空间编码，以实现对被测三维轮廓的粗划分，然后再用灰度渐变的图案对所说的粗划分的空间再进行细划分。这样用黑白条纹和灰度投影相结合的图案就可以得到比同样数目黑白条纹投影的空间编码划分细致得多的效果，从而达到突破硬件限制的目的。上述黑白条纹投影和灰度投影结合法的具体实现步骤如图4所示。首先，LCD投影仪将条纹投影图案和灰度投影图案依次投射到被测物体，CCD摄象机依次记录下对应的黑白条纹图像和灰度图像。其次，分别处理这两类图像，黑白条纹图像经过二值化处理和译码处理后得到粗编码信息矩阵，灰度图像经过消除背景光处理和规范化处理后得到精编码信息矩阵。然后，将粗、精编码信息矩阵相结合得到完整的编码信息矩阵。最后，用基于像素的三角法解算程序重构出三维物体的表面形貌。为了提高黑白条纹投影的编码效率，本专利技术采用的黑白条纹投影编码的方法，包括1)每一个编码区域对应码字均不相同；2)相邻编码区域之间的Hamming距离均是1；3)每一个物点上至少有被一个亮条纹和一个暗条纹所投影的机会；4)投影条纹划分的最小区域的宽度至少二倍于一个像素视野宽度。实现上述编码的具体步骤为1)设定投影的图案数目N，使投影条纹划分的最小区域的宽度至少二倍于一个像素视野宽度，每幅投影图案的明暗分布对应设定的编码区域M，组成一个N*M矩阵，该矩阵中的元素aij对应第j个编码区域的第i位的值；2)给矩阵的第一列赋初值，初始值可以出1和0任意组合，也可以取默认值3)变化第一列中的一位的值，把它作为下一列；4)判断该列是否全为0或全为1或与前面的某列相同，如果是，则重新变化另一位的值，再判断；如果没有上述情况，则将其作为新生成的列；5)重复3、4步骤的过程，直至生成全部投影图案矩阵。在上述生成黑白条纹投影图案的编码方法详细说明如下1.编码的相互独立性。在编码图案中，每一个编码区域对应码字均不相同。这个条件是必要的，它使基于单一像素的三角法成为可能，令计算机自动处理编码时不会产生歧义。图5中列出了一种相互独立的二进制编码。2.相邻编码区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间编码的三维轮廓计算机重构方法，其特征在于：首先采用黑白条纹投影图案对被测空间进行粗略的空间编码，以实现对被测三维轮廓的粗划分，然后再用灰度渐变的图案对所说的粗划分的空间再进行细划分。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尤政，董斌，于世洁，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]