高密度组合结构光编码方法

当两个摄像机 以 固 定 位 置 摆 放 时，在 两 个 摄
像机 视 频 范 围 内 的 同 一 个 空 间 点 Ｐ，可 以 在 两 个
摄像机的成像平面 上 分 别 得 到 一 个 投 影 点 Ｐａ 和
Ｐ 。 ［５－８］ ｂ
如
图
２
所
示
，Ｐａ
和
Ｐｂ
为 一 对 对 应 点，则
空间点 Ｐ 位于空间直线ＯａＰａ 和 ＯｂＰｂ 的交点处，
（１．吉林农业大学 工程技术学院，长春 １３０１１８；２．吉林大学 通信工程学院，长春 １３００２２）
摘 要 ：为 了 提 高 采 样 的 密 度 ，缩 短 采 样 的 时 间 ，提 出 了 一 种 非 接 触 式 的 组 合 结 构 光 编 码 技 术 。 首先由计算机构造的一系列格雷码和二值条纹，按 一 定 的 时 间 顺 序 投 射 到 被 测 物 体 上；然 后， 提取格雷码的边缘和二值条纹白条纹的中心，将其 上 的 点 作 为 图 像 的 采 样 点 并 解 码。 通 过 辅 加 二 值 条 纹 ，消 除 了 格 雷 码 的 一 位 解 码 误 差 ，制 造 了 丰 富 的 特 征 点 ，易 于 实 现 物 体 的 三 维 重 建 。 试 验 证 明 ，该 技 术 简 化 了 光 栅 投 影 的 步 骤 ，提 高 了 重 建 的 精 度 ，具 有 很 好 的 实 时 性 和 有 效 性 。 关 键 词 ：信 息 处 理 技 术 ；结 构 光 ；三 维 重 建 ；格 雷 码 ；二 值 条 纹 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２４２．６ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７１－５４９７（２０１１）Ｓｕｐ．１－０３４４－０４
地记录和反映物体的三维信息。使用非接触式的 结构光投影技术可以对物体的三维信息进行快速 准 确 的 数 字 化 获 取 ，从 而 很 好 地 解 决 这 个 问 题 。
常用的结构光编码方法是基于时间编码的投 影，存 在 条 纹 边 缘 码 值 被 误 判，分 辨 率 低 的 情 况 。 ［２］ 鉴于此，本 文 研 究 了 基 于 双 目 视 觉 下 组 合
视觉定位中的两 幅 或 多 幅 二 维 图 像，可 以 由 处 于 任意位置和方位的两个摄像机场景中的点同时拍 摄 获 得 ，实 现 空 间 点 位 置 的 确 定 。
图 ２ 双 目 视 觉 投 影 模 型
Ｆｉｇ．２ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｂｉｎｏｃｕｌａｒ ｖｉｓｉｏｎ
若已知左右两部摄像机内外参数己经标定，
第 ４１ 卷 增 刊 １ ２０１１ 年 ７ 月
吉 林 大 学 学 报 （工 学 版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．４１ Ｓｕｐ．１ Ｊｕｌｙ ２０１１
高密度组合结构光编码方法
高 黎 黎１，卢 韶 芳２，郭 富 强２，张 超２
图 ４ 格 雷 码 的 正 交 图 案 Ｆｉｇ．４ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｇｒａｙ－ｃｏｄｅ
１．３ 格 雷 码 与 二 值 条 纹 组 合 编 码 二值条纹是由宽度为 ｗ 个像素的黑白相间
条 纹 组 成，将 白 条 纹 中 心 线 上 的 点 作 为 采 样 点。 如图５所示，如果格雷码的投射周 期 是ｎ，格 雷 码 将其表面分成２ｎ＝ｗ 区 域，那 么 线 移 条 纹 也 将 其 表面分成 ｗ 个区域，投射周期是２，每个周期包括 一个白条纹和一个黑条纹。投射完正面图案后， 投 射 相 反 的 图 像 ，连 续 投 射 两 次 后 ，投 影 图 案 恢 复 到初始 状 态。 解 码 时 提 取 各 幅 图 像 中 白 条 纹 中 心 ，将 中 心 线 上 点 作 为 图 像 采 样 点 ，然 后 结 合 格 雷 码 的 编 码 ，第 一 幅 最 低 位 为 １，第 二 幅 最 低 位 为 ０， 其他位是补偿格 雷 码 区 域 的 相 应 编 码，确 定 编 码 值。
增刊１
高 黎 黎 ，等 ：高 密 度 组 合 结 构 光 编 码 方 法
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编码的方法。 首 先 通 过 投 射 结 构 光，创 建 出 采 样 点丰 富、规 则 性 强 的、易 于 计 算 机 识 别 的 纹 理 特 征，从而尽量 减 少 三 维 重 建 的 误 差。 然 后 将 格 雷 码和二值条纹，按 一 定 的 时 间 顺 序 投 射 到 被 测 物 体上，进行采 样 和 解 码。 由 于 格 雷 码 属 于 离 散 编 码，分 辨 率 较 低 。 ［３－４］ 为 了 提 高 分 辨 率 和 采 样 密 度 ，辅 加 投 射 正 反 二 值 条 纹 编 码 ，提 取 白 条 纹 的 中 心，避免二值 条 纹 边 缘 多 位 解 码 误 差。 正 面 图 像 消除了格雷码固 有 的 一 位 解 码 误 差，同 时 颜 色 一 正一反的 两 幅 二 值 条 纹 图 像 提 高 了 采 样 点 的 密 度。改进后的二值编码只需要两步投影就可以达 到 所 要 的 效 果 ，大 大 缩 短 了 投 影 步 骤 和 时 间 。
向被测景物连续投射，如图３所示的ｎ 幅图案（列 举４幅），ｎ 幅图案中分别用亮暗两灰 度 将 投 射 空 间分为 ２ｎ 个 区 域，其 中 黑 色 条 纹 码 值 记 为 ０，白 色 条 纹 码 值 记 为 １。
图 １ 系 统 结 构 图
Ｆｉｇ．１ Ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｃｕｒｔａｉｌ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｉｎｓｔａｎｔ，ｃｏｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ Ｇｒａｙ ｃｏｄｅ ａｎｄ ｂｉｎａｒｙ ｉｍａｇｅ ａｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄ ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｏｎｔｏ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｔｏ ｂｅ ｔｅｓｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｈｒｏｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｒｄｅｒ．Ｔｈｅｎ，ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｏｆ ｇｒａｙ ｃｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｗｈｉｔｅ ｂｉｎａｒｙ ｓｔｒｉｐｅｓ，ａｎｄ ｄｅｃｏｄｅｄ ｂｙ ｓｅｔｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｎ ｔｈｅｍ ａｓ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂｉｎａｒｙ ｓｔｒｉｐｅｓ，ｔｈｅ ｄｅｃｏｄｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒａｙ ｃｏｄｅ ｗａｓ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ，ｔｈｅ ｒｉｃｈ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｗｒｅｒｅ ｇｏｔｔｅｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｗａｓ ｅａｓｉｌｙ ｂｕｉｌｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｔｅｐｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ；３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；Ｇｒａｙ ｃｏｄｅ；ｂｉｎａｒｙ ｓｔｒｉｐｅ
随着计算机 技 术 的 发 展，由 计 算 机 将 实 物 模 型生成的数字模型被广泛地应用在脑外科手术、 文 物 重 建 、虚 拟 现 实 以 及 增 强 现 实 等 专 业 领 域 ，并 取得了长足的进步 。 ［１］ 绝大多数的实物都有 非 常 鲜明的表面结构 形 状，但 其 表 面 往 往 缺 乏 纹 理 特 征 ，而 通 过 摄 像 机 直 接 拍 摄 的 方 法 ，无 法 完 整 准 确
收 稿 日 期 ：２０１１－０２－２７． 基 金 项 目 ：吉 林 省 科 技 发 展 计 划 项 目 （２００９０５０９）；吉 林 农 业 大 学 科 研 启 动 基 金 项 目 （２０１０２７）． 作 者 简 介 ：高 黎 黎 （１９８４－），女 ，硕 士 研 究 生 ，助 教 ．研 究 方 向 ：模 式 识 别 与 图 像 处 理 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｕｘｉａｎｇ＿２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ 通 信 作 者 ：卢 韶 芳 （１９７０－），女 ，副 教 授 ，博 士 ．研 究 方 向 ：生 物 信 息 处 理 及 模 式 识 别 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｓｆ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
来自百度文库因此该点的三维坐标可以被唯一确定。对于立体
图 ３ 格 雷 码 图 Ｆｉｇ．３ Ｇｒａｙ ｃｏｄｅ ｉｍａｇｅ
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吉 林 大 学 学 报 （工 学 版 ）
第 ４１ 卷
本文通过投影仪向被测物投射黑白相间的格 雷码条纹进行编码。解码时提取各幅图像中的条 纹边缘，将边 缘 上 点 作 为 图 像 采 样 点。 若 求 取 第 ｎ 幅强度图 像 中 某 边 缘 的 排 列 序 号，则 按 其 在 前 ｎ－１幅相应位置处的灰度值（０或１）按 投 射 次 序 组合，得到 该 点 的 区 域 编 码 值。 之 所 以 不 取 第 ｎ 幅 编 码 ，因 为 边 缘 线 在 两 种 条 纹 之 间 ，存 在 一 位 解 码误差，故通 过 二 值 条 纹 来 消 除。 再 依 次 投 射 一 组与其垂直的格 雷 码 条 纹 编 码 图 案，两 组 正 交 定 位线的交点就是 采 样 点。 当ｎ 足 够 大 时，采 样 点 和摄像机图像中的像素可以实现点对点对应。图 ４为格雷码光栅投影到物体上的正交图案。
Ｃｏｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ
ＧＡＯ Ｌｉ－ｌｉ １，ＬＵ Ｓｈａｏ－ｆａｎｇ２，ＧＵＯ Ｆｕ－ｑｉａｎｇ２，ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｏ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ，Ｊｉｌｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３０１１８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ）
１ 编码结构光的方法
１．１ 三 维 重 建 系 统 的 构 成 及 原 理 投影结构光的基本思想是通过向物体投射几
种结合的编码结 构 光，在 不 同 于 投 影 光 轴 的 方 向 观察，利 用 目 标 物、投 影 点、观 测 点 的 关 系 测 量 物 体的三维外表信息。图１为系统结构图。位于图 中上方中 间 是 一 部 投 影 仪，作 为 投 影 点 来 投 射 光 栅 ；左 右 两 侧 悬 吊 两 部 数 字 摄 像 机 ，相 当 于 观 测 点 ， 采 集 在 物 体 表 面 形 成 畸 变 的 图 像 ；利 用 计 算 机 存 储 目标图像 ，通 过 图 像 处 理 技 术 ，对 获 得 的 光 栅 图 像 进行滤噪、增 强，提 取 所 要 的 图 案，即 图 像 的 特 征 点 ，并进行三 维 重 建 。 因 此 ，在 本 系 统 中 创 建 易 于 识别且密集的采样点是实现三维重建的重要一步。
１．２ 格 雷 码 法 在格雷码的编 码 中，相 邻 两 个 码 字 之 间 的 不
同位的 数 目 称 为 Ｈａｍｍｉｎｇ 距 离，并 且 距 离 均 是 １。如０００，００１，０１１，０１０，１１０，１１１，１０１，１００ 便 是 一组格雷码。它大大减少了由一个状态到下一个
状 态 时 的 瞬 间 模 糊 状 态 ，提 高 了 抗 干 扰 能 力 ，所 以 格雷码是一种错误最 小 化 的 编 码 。 ［９－１０］ 用 投 射 器
它们分别 为 Ｍ１ 和 Ｍ２。 于 是 计 算 机 图 像 坐 标 系 与世界坐标系之间的关系为
熿ｕ燄
熿ｘｗ燄 ｙｗ
Ｚｃ ｖ ＝Ｍ１Ｍ２
ｚｗ
燀１燅
燀１燅
（１）
通过立体视觉匹配算 法，可 以 计 算 出 点 Ｐ 在
左 右 摄 像 机 像 平 面 的 计 算 机 图 像 坐 标 ，代 入 式 （１）
中，从而得到空间点 Ｐ 的世界坐标。