高密度组合结构光编码方法

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）
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 。
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
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。
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
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
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。
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。
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
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，
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
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Leabharlann 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
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
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。