一種高頻二值條紋的三維掃描方法技術

本發明專利技術涉及一種高頻二值條紋的三維掃描方法。該方法首先采用結構光3D掃描，獲取投影儀及相機的內外部參數，進行全局對比度估測；然后，基于二值位移條紋邊緣的亞像素定位及進行高頻二值條紋局部編碼，最后，局部周期混淆的消除和三維重建。在編碼方面，采用了二值條紋的黑白邊緣作為編碼特征，具有顯著的魯棒性優勢；在解碼方面，采用了虛擬反相位圖像生成方法，減少了總體投射的編碼圖案數目；通過虛擬反相位位移圖像的生成，結合正弦擬合求交策略，實現編碼特征點的亞像素高精度定位；采用常用的投影設備，降低成本，更易于實施；在現有的DLP投影設備中，輸出二值條紋可以達到更高的投射頻率，從而更易于實現高速度的三維掃描過程。

【技術實現步驟摘要】
一種高頻二值條紋的三維掃描方法
本專利技術涉及計算機視覺與光學三維測量相關領域，特別涉及一種高頻二值條紋的三維掃描方法。
技術介紹
三維掃描技術發展迅速，目前已應用到了工業檢測、設計、動漫及電影特效制作、3D展示、虛擬手術、反求工程等諸多領域和行業。從現有的三維掃描技術手段來看，以激光三維掃描和投影結構光三維掃描技術為主，激光三維掃描系統通過投射激光線或者點陣，用攝像頭捕捉投射的激光特征，通過三角測量恢復三維深度信息，但這種逐點和逐線的掃描方式主要缺點就是速度慢；在基于投影儀的結構光三維掃描系統中，其通過結構光編碼技術，實現整個面的一次性測量，具有速度快和精度高的明顯優勢，因而基于投影的結構光三維掃描技術已成為目前的主流技術手段。根據專利文獻檢索，與本專利技術相關的有專利包括：201010513284.6、201010160681.X、200820089810.9和200910217739.7。201010513284.6是一種三維掃描裝置及三維掃描方法，硬件為一字線激光發射模塊，速度遠低于本專利采用的投影儀。201010160681.X是文物旋轉結構光三維數字化建模方法，它使用了雙面相機，本專利技術則采用了單目相機，硬件數目更少。200820089810.9是基于彩色結構光的文物三維重建裝置，它使用了紅、綠和藍三基色組成的結構光，本專利則使用了黑白兩種顏色的結構光，即使與200910217739.7（一種基于結構光的三維物體表面重建方法）的灰色格雷編碼相比，編碼算法也更直接。簡而言之，本專利技術采用了高頻二值條紋的結構光圖像編碼，該編碼的特征是高頻二值條紋的邊緣結構信息，而不是灰度相位信息，掃描過程具有高魯棒性，并提高了三維掃描的速度。更重要的是，本專利技術的掃描結果具有高精確度。
技術實現思路
本專利技術提出一種高頻二值條紋的三維掃描方法，能夠魯棒地完成三維對象的快速掃描。該方法采用高頻二值條紋的邊緣特征，將編碼特征的定位精度提高到了亞像素級別，從而掃描結果具有高精確度。圖1為本專利技術的實施系統工作示意圖，其基本組成部分包括：投影設備、相機、控制模塊、數據處理單元，所述控制單元與投影設備及相機相連，相機與數據處理單元連接；所述投影設備，可以采用DLP,LCOS,LCD等常用投射設備作為結構光系統輸出模塊；所述相機，用于投影圖案的同步拍攝；所述控制模塊，可以是FPGA或者DSP等控制模塊，其承擔的主要功能是：將預先存儲的二值圖案通過視頻接口（可以是HDMI,VGA或其他視頻接口）輸出至投影設備，輸出每一幀畫面的同時，向相機發送觸發信號，由相機同步拍攝投影設備所投射的每一幀圖像；所述數據處理單元，獲取來自相機的拍攝圖像，通過三維重建軟件進行結構光圖像的解碼和物體三維信息的恢復。本專利技術技術方案的詳細闡述首先，采用結構光3D掃描，獲取投影儀及相機的內外部參數，進行全局對比度估測，標定的過程與現有的格雷碼及正弦結構光系統類似，屬于業內常用技術手段，不做詳述；然后，基于高頻二值位移條紋邊緣特征進行編碼，最后，局部周期混淆的消除和三維重建。具體包括以下內容：（1）全局對比度估測首先投射全白Iw和全黑IB圖案，在相機獲取的圖像中，通過2張圖像差分計算圖像整體對比度，得到對比度圖像IC，針對圖像IC并設置2個閾值T1和T2，例如T1=10，則表示全黑和全白圖像中，如果某個圖像點的灰度變化<10，這有兩種可能，其一可能是陰影存在區域，其二可能是表面反射過強造成的高反光區域，則在后續重建中對該區域不予處理，以免引入過多噪聲數據；如T2則針對全白圖像進行判讀，如T2=250，則表示白色圖像中如果某圖像點亮度超過250，則可能存在高反光，后續解碼過程中該區域出現錯誤的幾率很大，因此在后續解碼和重建中也不予處理。通過2個閾值的設定，可生成一個二值的模板圖像IT，其中IT中為1的區域表示曝光和對比度較為良好的區域，為0則表示對比度較低或者存在過曝光的區域，使用該二值模板圖像可顯著提高后續的圖像解碼效率，并大大降低解碼的錯誤率；（2）高頻二值條紋局部編碼采用周期為P的二值條紋（假設P=8，則表示一對黑白條紋其條紋寬度均為4個像素，如果投影機分辨率為1024，則投射條紋圖像中包含128個黑白周期條紋），將該條紋圖像位移P/2次（如P=8，則移動4次，每次位移1個像素），則投影機中每個像素都會經歷一次從黑色到白色或者從白色到黑色的狀態變化，因此我們需要投影機投射四張圖案IS1-4。在實際掃描過程中，考慮到物體本身具有的顏色紋理等特性，直接去精確的檢測黑白條紋的邊緣特征是非常困難的，因此我們采用了反相二值位移條紋的方法，在原有四次位移的基礎上再位移4次，每次1個像素，這樣我們需要投影機再投射4張圖案IS5-8，這樣總計需要8張條紋位移圖案，為了減少所需的位移條紋圖像數量，提高掃描速度，我們采用了虛擬反相圖的方法，所謂虛擬反向圖即通過IS1-4，Iw，IB的計算，得到IS5-8，通過簡單的分析我們可以發現IS5=Iw-IS1+IB，同理其他3張虛擬反相圖也可以計算出來，這樣，我們不需要投射額外的四張圖案即可得到8張條紋位移圖像。理想情況下，IS1和IS5兩張圖像相減的話，圖像中只存在3個數值，-255，0，255，其中0就是兩個條紋變化的邊緣，再細分的話，如圖2所示，有兩種邊緣情況，即紅色部分所示，由-255跳變為255，和藍色部分，由255跳變為-255，則我們賦予紅色邊緣的圖像點位置編碼值0，賦予藍色邊緣的圖像點位編碼值4。同理，IS中圖像兩兩相減后，我們可以賦予圖像中每個邊緣點位置一個編碼值，即從0-7的編碼值，此時不難發現圖像中將存在128個這樣的從0-7的局部編碼區域。（3）二值位移條紋邊緣的亞像素定位方法圖3所示的是理想情況下的條紋邊緣定位及編碼的方法，在實際情況中，受到鏡頭光學特性及物體表面反射或者紋理的影響，我們是很難在圖像中得到這樣的矩形波形的，其邊緣往往呈現漸變及模糊形態，為了獲取高精度的亞像素邊緣定位數據，本專利技術提出了一種基于數據擬合的邊緣定位方法，該方法主要分兩個步驟：1）首先將兩幅待處理圖像如IS1和IS5與黑色圖像IB做差，以減少物體本身顏色和紋理的影響，這樣使得IS1和IS5圖像中白色條紋和黑色條紋內部的亮度分布更為均勻（因為減除了背景亮度的影響），使得邊緣清晰度和圖像整體對比度有所提升；2）考慮到投影鏡頭和相機鏡頭本身就會導致條紋邊緣模糊，且模糊后的條紋基本符合正弦分布的特性，我們使用正弦函數對一個周期內的條紋進行擬合處理，以IS1和IS5為例，其存在半個周期的理論位移，因此擬合后的2個正弦函數同樣存在半個周期的位移，則兩條正弦曲線的交點則可定義為如圖3所示的紅色和藍色邊緣點，且可以達到亞像素的定位精度。通過上述算法的實施，即可以減少物體表面顏色問題對投射條紋圖像的影響，更可以將編碼邊緣特征的精度提升到亞像素級別，顯著提高了整個解碼的魯棒性和三維重建的精度。（4）局部周期混淆的消除通過上述步驟，假設投影儀水平分辨率為1024，即2的10次方，則我們可以得到128個周期為8的局部編碼圖像，且編碼特征為亞像素精度的條紋邊緣編碼特征。此時，我們引入格雷碼方法，如圖1所示，順序投射出n=8的格雷碼圖案IG1-8，其最細黑色本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高頻二值條紋的三維掃描方法，其特征在于，首先，采用結構光3D掃描，獲取投影儀及相機的內外部參數，進行全局對比度估測；然后，基于二值位移條紋邊緣的亞像素定位及進行高頻二值條紋局部編碼，最后，局部周期混淆的消除和三維重建，具體包括：（1）投射白色及黑色圖案，用于全局對比度估測；（2）投射二值位移條紋圖案，生成反相位位移圖像，并在圖像中進行二值位移條紋的邊緣定位及高頻二值條紋局部編碼；（3）投射二值格雷碼圖案，并生成反相位格雷碼圖像，消除二值條紋編碼的局部周期混淆；（4）完成全局解碼，并對具有唯一編碼值的邊緣點進行三維重建。

【技術特征摘要】
1.一種高頻二值條紋的三維掃描方法，其特征在于，首先，采用結構光3D掃描，獲取投影儀及相機的內外部參數，進行全局對比度估測；然后，基于二值位移條紋邊緣的亞像素定位及進行高頻二值條紋局部編碼，最后，局部周期混淆的消除和三維重建，該步驟具體包括：(1)投射白色及黑色圖案，用于全局對比度估測；(2)投射二值位移條紋圖案，生成反相位位移圖像，并在圖像中進行二值位移條紋的邊緣定位及高頻二值條紋局部編碼；(3)投射二值格雷碼圖案，并生成反相位格雷碼圖像，消除二值條紋編碼的局部周期混淆；(4)完成全局解碼，并對具有唯一編碼值的邊緣點進行三維重建。2.根據權利要求1所述的一種高頻二值條紋的三維掃描方法，其特征在于，所述全局對比度估測，具體過程為：首先投射全白Iw和全黑IB圖案，在相機獲取的圖像中，通過2張圖像差分計算圖像整體對比度，得到對比度圖像IC，針對圖像IC并設置2個閾值T1和T2，通過2個閾值的設定，生成一個二值的模板圖像IT，其中IT中為1的區域表示曝光和對比度較為良好的區域，為0則表示對比度較低或者存在過曝光的區域。3.根據權利要求1所述的一種高頻二值條紋的三維掃描方法，其特征在于，所述高頻二值條紋局部編碼，具體過程為：采用周期為P的二值條紋，將該條紋圖像位移P/2次，則投影機中每個像素都會經歷一次從黑色到白色或者從白色到黑色的狀態變化，需要投影機投射四張圖案IS1-4，在實際掃描過程中，采用反相二值位移條紋的方法，在原有四次位移的基礎上再位移4次，每次1個像素，需要投影機再投射4張圖案IS5-8，總計需要8張條紋位移圖案，為減少所需的位移條紋圖像數量，提高掃描速度，采用虛擬反相圖的方法，所謂虛擬反相圖即通過IS1-4，Iw，IB的計算，得到IS5-8，通過分析，發現IS5＝Iw-IS1+IB，同理其他3張虛擬反相圖也計算出來，這樣，不需要投射額外的四張圖案即可得到8張條紋位移圖案；其中：Iw為全白圖案，IB為全黑圖案，IS為投影圖案；同理，IS中圖像兩兩相減后，賦予圖像中每個邊緣點位置一個編碼值，即從0-7的編碼值，此時，圖像中將存在128個這樣的從0-7的局部編碼區域。4.根據權利要求1所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：宋展，程志全，
申請(專利權)人：宋展，
類型：發明
國別省市：湖南;43