一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法技术

本发明专利技术属于三维立体重建领域，具体的说是一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法。包括：一、标定双目相机内外参数并且捕获结构光条纹图案；二、对双目相机捕获的结构光条纹图案计算掩码图像，利用掩码图像实现快速相位展开得到绝对相位；三、对绝对相位进行横向约束；四、格雷码辅助搜索等值相位点；五、搜索到等值相位点后利用三角测距原理计算物体的三维坐标。本发明专利技术采用基于格雷码辅助的快速搜索等值相位方法获得物体的三维坐标，该方法相对于全局搜索以及双向条纹约束法的搜索速度更快。局搜索以及双向条纹约束法的搜索速度更快。局搜索以及双向条纹约束法的搜索速度更快。

【技术实现步骤摘要】
一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法


[0001]本专利技术属于三维立体重建领域，具体的说是一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法。

技术介绍

[0002]基于相移结合格雷码的立体视觉测量方法，具有非接触、高精度、高分辨率和低成本的优点，被广泛应用在生物医学、机器视觉、逆向工程等领域，一直是专家学者研究的热点之一，该方法通过投影仪向物体表面投射一系列相移条纹图案，相机捕获经过物体调制的条纹图案，并解码得到包裹相位，对包裹相位进行相位展开得到连续的绝对相位值：然后，在左右绝对相位图中搜索等值相位点对，最后结合双目三角测距原理得到物体的三维坐标。
[0003]目前，求取相位的常用方法有四步相移法和傅里叶变换轮廓术(FTP)法，尽管这两种方法的相位求解过程不同，但都利用反正切函数求解相位，得到分布在[
‑
π，π]的包裹相位，要想得到全场的真实相位，需要将包裹相位进行相位展开。相位展开分为空间相位展开和时间相位展开，空间相位展开通过分析包裹相位相邻元素之间的相位值，根据相位连续性对相位值进行适当调整，从而恢复出连续的绝对相位。在应用空间相位展开时，相邻像素点展开结果相互影响，测量表面不连续的物体时容易出错；时间相位展开通过投影一系列条纹，沿时间轴进行相位展开来确定各点的相位值。其中，相移结合格雷码作为一种时间相位展开方法，其展开过程不受相邻像素点的影响，能对表面复杂的物体进行测量且精度较高；搜素等值相位点方面，直接对相位信息采用传统的基于全局的搜索策略，搜索速度慢且误差较大；双向投影光栅法利用横纵两个方向的条纹对搜索区域进行约束以此来减小误差，但需要投射两个方向的条纹图案，计算量大，影响测量速度。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法，该方法首先实现了快速的相位展开，首先采用掩码图像剔除非条纹区域的像素点以此来减少计算量，然后对条纹区域的像素进行相位展开，针对相位展开过程中周期错位的问题，采用错阶格雷码结合中值滤波的校正方法进行周期校正，得到强度呈连续线性变化的绝对相位，并对绝对相位和格雷码解码序列进行横向约束，在横向约束的基础上，提出利用格雷码解码值进一步进行纵向约束，最后根据双目三角测距原理的得到物体的三维坐标，解决了现有通过搜索等值相位方法得到物体三维坐标存在的上述不足。
[0005]本专利技术技术方案结合附图说明如下：
[0006]一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、标定双目相机内外参数并且捕获结构光条纹图案；
[0008]步骤二、对双目相机捕获的结构光条纹图案计算掩码图像，利用掩码图像实现快速相位展开得到绝对相位；
[0009]步骤三、对绝对相位进行横向约束；
[0010]步骤四、格雷码辅助搜索等值相位点；
[0011]步骤五、搜索到等值相位点后利用三角测距原理计算物体的三维坐标。
[0012]所述步骤一的具体方法如下：
[0013]建立双目相机的成像几何模型，对双目相机进行标定得到相机内外参数，内外参数包括：相机镜头中心位置、焦距、畸变系数、旋转平移矩阵，标定后捕获结构光条纹图案。
[0014]所述步骤二的具体方法如下：
[0015]21)额外投射一张全亮图案到物体表面增强物体区域跟非物体区域的对比度，根据分割阈值T定义物体区域为前景，非物体区域为背景，采用公式(1)计算两个区域的最大类间方差σ,当σ2取到最大值时，即为分割阈值T，利用分割阈值分割图像得到仅包含物体区域的掩码图像；
[0016]σ2＝p1(m
t
‑
m
g
)2+p2(m
b
‑
m
g
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0017]其中，p1为像素被分类为前景的概率；p2为像素被分类为背景的概率；m
t
为前景像素；m
g
为整个图案的均值；m
b
为背景像素；
[0018]22)在掩码图像的基础上，对格雷码条纹图案与相移条纹图案进行解码，对相移条纹利用公式(2)进行解码得到包裹相位，对格雷码条纹图案利用公式(3)进行解码得到十进制序列，结合格雷码序列与包裹相位采用公式(4)进行相位展开；
[0019][0020][0021]Φ(x,y)＝φ(x,y)+2πk(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0022]其中，I
n
(x,y)sin(2nπ/X)为第n张相移条纹图案；k(x,y)为格雷码解码序列；B
i
(x,y)为二进制序列；N为格雷码位数；i为第几位格雷码；Φ(x,y)为绝对相位；φ(x,y)为包裹相位；
[0023]23)对展开周期进行校正；如果是孤立的错位点，在N位传统格雷码的基础上，额外投射一张最细条纹宽度为N位格雷码一半的错阶格雷码条纹图案，前N张格雷码的解码序列为k1，N+1张格雷码条纹解码序列为k2,k2序列的值与传统格雷码解码值k1边界处的解码值相互错开，进而避免边界解码产生的错误，并用公式(5)进行周期校正；如果是相邻的错位点，采用一个中值滤波器利用公式(6)来消除剩余的错位点；
[0024][0025]Φ
m
(x,y)＝medfilt2[Φ(x,y)；s
x
×
s
y
]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0026]其中，Φ
m
(x,y)为中值滤波之后的绝对相位；Φ(x,y)为中值滤波前的绝对相位；S
x
×
S
y
为滤波器尺寸,medfilt2[]为中值滤波算子。
[0027]所述步骤三的具体方法如下：
[0028]绝对相位进行横向约束就是将原始的绝对相位图通过一系列的位置矩阵以及插值方法，将左右绝对相位图片的横坐标对齐到极线上，需要的位置矩阵由双目相机标定获得。
[0029]所述步骤四的具体方法如下：
[0030]41)利用格雷码的解码序列对左右相位图像进行纵向约束，更加精准地搜索等值相位点，由于N位格雷码将被测物体粗略分为2
N
个区域，解码后，这些区域获得范围在0～2
N
‑
1的序列值k，在一个周期内，相移条纹与格雷码最细条纹拥有相同个数的像素点，故相移条纹将2
N
个区域进一步细分；
[0031]42)每个区域的格雷码值不同，故在横向约束的基础上利用格雷码解码值的唯一性形成纵向约束，如公式(7)所示：
[0032][0033]其中，C1为横向约束区域；C2为格雷码解序列所确定的纵向约束区域；C为C1与C2的共同区域即为初始搜索点所在区域；C1|(x
r
,y
r
)表示在右极线上的点，x
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、标定双目相机内外参数并且捕获结构光条纹图案；步骤二、对双目相机捕获的结构光条纹图案计算掩码图像，利用掩码图像实现快速相位展开得到绝对相位；步骤三、对绝对相位进行横向约束；步骤四、格雷码辅助搜索等值相位点；步骤五、搜索到等值相位点后利用三角测距原理计算物体的三维坐标。2.根据权利要求1所述的一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法如下：建立双目相机的成像几何模型，对双目相机进行标定得到相机内外参数，内外参数包括：相机镜头中心位置、焦距、畸变系数、旋转平移矩阵，标定后捕获结构光条纹图案。3.根据权利要求1所述的一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法如下：21)额外投射一张全亮图案到物体表面增强物体区域跟非物体区域的对比度，根据分割阈值T定义物体区域为前景，非物体区域为背景，采用公式(1)计算两个区域的最大类间方差σ,当σ2取到最大值时，即为分割阈值T，利用分割阈值分割图像得到仅包含物体区域的掩码图像；σ2＝p1(m
t
‑
m
g
)2+p2(m
b
‑
m
g
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，p1为像素被分类为前景的概率；p2为像素被分类为背景的概率；m
t
为前景像素；m
g
为整个图案的均值；m
b
为背景像素；22)以掩码图像非零区域引导格雷码条纹图案与相移条纹图案进行解码，对相移条纹利用公式(2)进行解码得到包裹相位，对格雷码条纹图案利用公式(3)进行解码得到十进制序列，结合格雷码序列与包裹相位采用公式(4)进行相位展开；序列，结合格雷码序列与包裹相位采用公式(4)进行相位展开；Φ(x,y)＝φ(x,y)+2πk(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，I
n
(x,y)sin(2nπ/X)为第n张相移条纹图案；k(x,y)为格雷码解码序列；B
i
(x,y)为二进制序列；N为格雷码位数；i为第i位格雷码；Φ(x,y)为绝对相位；φ(x,y)为包裹相位；23)对展开周期进行校正；如果是孤立的错位点，在N位传统格雷码的基础上，额外投射一张最细条纹宽度为N位格雷码一半的错阶格雷码条纹图案，前N张格雷码的解码序列为k1，N+1张格雷码条纹解码序列为k2,k2序列的值与传统格雷码解码值k1边界处的解码值相互错开，进而避免边界解码产生的错误，并用公式(5)进行周期校正；如果是相邻的错位点，采用一个中值滤波器利用公式(6)来消除剩余的错位点；
Φ
m
(x,y)＝medfilt2[Φ(x,y)；s
x
×
s
y
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，Φ
m
(x,y)为中值滤波之后的绝对相位；Φ(x,y)为中值滤波前的绝对相位；S
x
×
S
y
为滤波器尺寸，medfilt2[]为中值滤波算子。4.根据权利要求1所述的一种基于格雷码辅助的三维坐标计算方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法如下：绝对相位进行横向约束就是将原始的绝对相位图通过一系列的位置矩阵以及插值方法，将左右绝对相位图片的横坐标对齐到极线上，需要的位置矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岩，崔振丰，胡成威，周晓伟，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：