專利名稱：基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置技術(shù)領(lǐng)域,本實用新型涉及一種基于綠條紋分割的彩色結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，涉及 視覺傳感測量技術(shù)與系統(tǒng)、三維信息采集與重構(gòu)領(lǐng)域。
技術(shù)背景在非接觸三維測量技術(shù)中，視覺三維測量技術(shù)是獲取物體三維信息有效 的手段之一，它無需接觸被測物表面，是以三維視覺傳感器所得到的圖形、 圖像為基礎(chǔ)來恢復(fù)物體的三維形狀，具有速度高、效率高、自動化程度高、 造價較低等優(yōu)點。目前視覺三維測量技術(shù)的重點發(fā)展方向包括有結(jié)構(gòu)光、立 體圖像、莫爾法、全息法、激光雷達等方法，其中結(jié)構(gòu)光法具有成本低、分 辨率高和速度快優(yōu)勢，被公認為實用性最強的光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)，正 日益受到重視并得到應(yīng)用。結(jié)構(gòu)光法是將投射器發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)形成點、線、編碼圖案等形 式投向景物，在景物上形成圖案并由攝像機攝取，而后由圖像根據(jù)三角法和 傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算、得到景物表面的深度圖像，進一步計算出物面的 三維坐標值。在結(jié)構(gòu)光法中，相比投射點、線光束的結(jié)構(gòu)光掃描法，結(jié)構(gòu)光編碼法向 景物投射編碼圖案，大大提高了測量速度并解決了掃描法圖案混淆問題，因 此結(jié)構(gòu)光編碼法以其準確度高、測量速度快、成本低等優(yōu)點在三維重構(gòu)、工 業(yè)測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。結(jié)構(gòu)光的編碼方法可分為時間編碼、空 間編碼和直接編碼，三者各具優(yōu)缺點。它們都可采用灰度或顏色來進行編碼， 灰度編碼技術(shù)的研究更成熟一些。然而隨著處理彩色圖像的彩色傳感器和硬 件價格變得更容易接受，彩色圖像處理技術(shù)應(yīng)用也日益廣泛。在以往的研究中彩色編碼多用于空間編碼和直接編碼，而且大都能用于動態(tài)物體的測量，但由于基于CCD攝像機的顏色保真度及分辨率的影響，對 三維物體的測量精度不高，很難用于精確物體的測量。在已有的幾種彩色時 間編碼方法中，精度較之空間編碼和直接編碼有所提高，但也存在由于運用的顏色一般多于三種，出現(xiàn)顏色混淆不易識別的問題，而且通常釆樣密度和 分辨率都不髙。針對彩色時間編碼結(jié)構(gòu)光技術(shù)，目前尚不能做到攝像機硬件 設(shè)備的更換對系統(tǒng)的影響。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種消除硬件設(shè)備對顏色的耦合影響、提取綠 條紋中心以消除格雷碼一位轉(zhuǎn)換誤差，提取綠條紋左右邊界以提高物面采樣 密度，從而實現(xiàn)高采樣密度亞像素分辨率的測量裝置。上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，其組成包括投影儀，所述的投 影儀為用于產(chǎn)生基于綠條紋分割的由紅綠藍三基色組成的結(jié)構(gòu)光、其中紅藍 按格雷碼編碼方式編排，每相鄰紅藍編碼之間用四個像素的綠條紋分割的投 影儀，所述的投影儀與計算機連接，該計算機為用于產(chǎn)生彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖 案、同時控制攝像機拍攝被物體調(diào)制后的圖像的計算機。所述的基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，所述的攝像機與所述的投 影儀、物體在同一水平面，它們之間的連線成直角三角形狀態(tài)，攝像機與物 體的連線位于直角三角形的斜邊上。本實用新型的有益效果-1. 本實用新型投射的編碼圖案是基于綠條紋分割的紅藍格雷碼編碼。該 編碼方法采用三基色紅(255，0，0)、綠(0，255，0)、藍(0，0，255)編碼，這使拍攝的 條紋圖像中各種顏色之間、系統(tǒng)噪聲的影響都大大減少，有利于圖像正確解 碼得到可靠的處理數(shù)據(jù)。2. 本實用新型具有成本低、測量精度高的優(yōu)點。3. 本實用新型可針對不同CCD的硬件設(shè)備顏色分量之間的耦合現(xiàn)象，采 取不同的測量方法以消除硬件設(shè)備對三維物體的測量影響。
附圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是紅藍格雷碼編碼圖案。紅格雷碼為白色，藍格雷碼為斜線。 附圖3是綠條紋分割的紅藍格雷碼編碼圖案。紅格雷碼為白色，藍格雷碼為斜線，綠條紋為交叉斜線。附圖4是各像素顏色分量歸一化。附圖5是綠條紋中心及邊界定位。附圖6是投射的紅綠藍圖像。附圖7是投射圖像第300行掃描圖。附圖8是拍攝的紅綠藍圖像第300行掃描圖。
具體實施方式
實施例l:基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，其組成包括:投影儀1，所述的用 于產(chǎn)生基于綠條紋分割的由紅綠藍三基色組成的結(jié)構(gòu)光、其中紅藍按格雷碼 編碼方式編排，每相鄰紅藍編碼之間用四個像素的綠條紋分割的投影儀1通 過電線與一個用于產(chǎn)生彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖案、同時控制攝像機拍攝被測物體3調(diào)制后的圖像的計算機4連接，所述的計算機4通過電線與用于拍攝上述結(jié) 構(gòu)光照射下的物體的彩色攝像機2連接。攝像機與投影儀、物體在同一水平面，它們之間的的連線成直角三角形 狀態(tài)，攝像機與物體的連線位于直角三角形的斜邊上，且該連線與攝像機和 投影儀連線成55度關(guān)系。基于綠條紋分割的彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖案是利用三基色紅(R)、綠(G)、藍(B) 迸行編碼，使得每種顏色之間的差別達到最大易于解碼；連續(xù)依次投射的編 碼圖案中紅藍條紋按格雷碼方式編排，并且在每相鄰的紅藍條紋中插入四個 像素寬的綠條紋，提取綠條紋中心及左右邊界實現(xiàn)高采樣密度亞像素分辨率 的測量。工作過程:-計算機產(chǎn)生的基于綠條紋分割的紅藍驢碼隨通過DLP投 影儀投射到空間的三維物體上，DLP投影儀與水平面成直角發(fā)出的光束范圍 為45° ，再由計算機控制CCD攝像機拍得由物體調(diào)制后的條紋圖像，該攝 像機與水平面成銳角，發(fā)出的光束范圍為40° 。攝像機獲得的條紋圖像再送 回計算機，由于被照射物體、DLP投影儀及CCD攝像機呈三角形關(guān)系位置， 根據(jù)三角法原理獲得三維物體的空間坐標。工作原理 編碼解碼原理本實用新型投射的編碼圖案是基于綠條紋分割的紅藍格雷碼編碼。該編 碼方法采用三基色紅(255，0，0)、綠(0，255，0)、藍(0，0，255)編碼，這使拍攝的條 紋圖像中各種顏色之間、系統(tǒng)噪聲的影響都大大減少，有利于圖像正確解碼 得到可靠的處理數(shù)據(jù)。格雷碼編碼方法是一種可靠、錯誤最小化的編碼，其循環(huán)、單步特性消 除了隨機取數(shù)時出現(xiàn)重大誤差的可能，但其每相鄰兩列的碼值中會出現(xiàn)一位 的譯碼轉(zhuǎn)換誤差。附圖2是紅藍格雷碼編碼圖案，圖中白色代表紅條紋，黑 色代表藍條紋，若投射w幅圖案可得到2"個條紋編碼，圖中給出的是投射5 幅時的編碼圖案，得到25=32個條紋編碼值，圖中m、 w2、 w3、 #14、 iis為投射 序列。附圖3是用綠條紋對紅藍條紋加以分割時的編碼圖案，其中帶網(wǎng)格圖案 代表綠條紋，綠條紋像素寬度為四位分別占紅藍條紋的兩位。提取綠條紋中 心可實現(xiàn)像素邊緣解碼，消除格雷碼一位轉(zhuǎn)換誤差。投射/i幅圖像得到的"幅圖像中綠條紋中心的像素邊緣解碼值可由公式 (l)獲得<formula>formula see original document page 6</formula>(i)式中/t表示綠條紋中心的像素邊緣解碼值，r表示條紋圖像中像素的碼值， 規(guī)定紅條紋像素碼值為o，藍條紋像素碼值為i。取r。等于o。 z代表投射圖案的 次序。n代表第一幅圖像中當前像素的碼值，同理r2代表第二幅投射圖像中對應(yīng)像素的碼值，依此類推7}.1代表第/-1幅中對應(yīng)像素的碼值。附圖3中綠條紋中心分別位于第4、 8、 12、 16、 20、 24、 28列邊緣上。 以第三幅("=3， /=3)第三個綠條紋中心為例，它的解碼值由前兩幅該位置的紅 藍碼值決定的，公式(l)中的rn規(guī)定為O,第/n幅中與該綠條紋中心對應(yīng)的條紋顏色為藍r,值為i，則k與rj的異或值為i，第"2幅中與該綠條紋中心對應(yīng)的條紋顏色仍為藍r2值仍為i，那么r2與前一異或結(jié)果進行異或后為o， 分別把它們代到公式(i)中，得到該綠條紋中心的碼值為20代表第20列像素 邊緣。依此類推可獲得所有綠條紋中心的像素邊緣解碼值。從圖3中可以看出每一綠條紋中心提取出的條紋邊緣編碼值只依賴于前[l，...，z'-ll幅的紅藍條紋碼值的異或值所決定。也就是綠條紋中心的碼值與其所在的投射圖案無關(guān)， 因此該編碼方法可消除格雷碼的一位轉(zhuǎn)換誤差。而且該方法各列之間沒有相 互依賴性，可避免當物體表面不連續(xù)或非常陡峭時由于條紋壓縮嚴重或丟失 產(chǎn)生的解碼誤差。附圖3中投射幅數(shù)為3幅，提取綠條紋中心得到23-1=7個碼值，同時提取 前兩幅中綠條紋的左右邊界可得到23-2=6個碼值。因此投射《幅圖像會可到 2"+l-3個碼值，比紅藍格雷碼2"個編碼數(shù)量提高了近一倍，從而實現(xiàn)高采樣 密度。投射/t幅圖像得到的前/f-l幅圖像中綠條紋左右邊界確定的像素邊緣解碼 值可由公式(2)獲得A: = 2"+2 + r0.2"+2 + r0十7;. 2"+1 + r0十7;十r2.2" +… + (r0@z;e)r2^..@7;—,.2"-'+3) + g.2(2)式中G的取值為-1或+1，當提取的是綠條紋的左邊界時(？取-l，右邊界 時取+1。其中，)fc表示綠條紋左右邊界的像素邊緣解碼值，其它符號與公式(l) 中的符號規(guī)定一致。附圖3中前兩幅綠條紋邊界分別位于第6、 10、 14、 18、 22、 26列邊緣上。 以第二幅(《=3， —2)第一個綠條紋右邊界為例，它的解碼值由前一幅該位置的 紅藍碼值決定的，公式(2)中的r。規(guī)定為0，第m幅中與該綠條紋右邊界對應(yīng) 的條紋顏色為紅貝IJK值為0，則rc與7^的異或值為0，因為是綠條紋的右邊 界，所以G取+1，把它們代到公式(2)中，得到該綠條紋邊界碼值為10代表 第10列像素邊緣。同樣，該處像素邊緣的碼值是由其前1，...，/-1幅的紅藍條 紋碼值決定，可避免當物體表面不連續(xù)或非常陡峭時由于條紋壓縮嚴重或丟 失產(chǎn)生的解碼誤差。至此，投射w幅條紋圖案會得到2"+l-3個像素邊緣，而且去掉的三個邊 緣是位于投射圖案兩側(cè)的，通常落在背景上，對三維物面的重構(gòu)不產(chǎn)生影響， 因此相當于物面采樣率提高了一倍，而且克服了格雷碼一位轉(zhuǎn)換誤差。3.紅綠藍彩色條紋分割 由公式(l)、 (2)可看出要想獲得正確的像素邊緣解碼值必須對紅、綠、藍 條紋區(qū)域做到正確的分割。為消除光照不均勻及物面顏色帶來的影響，本方 法中彩色條紋的分割需進行歸一化處理，它是建立在對條紋圖像的每個像素 的每個R、 G、 B分量進行歸一化處理的基礎(chǔ)上的。歸一化編碼要求在一個編碼值中至少有一個最小值和一個最大值。投射 的彩色條紋只采用每一分量中的最大灰度級255和最小灰度級0，且最大灰度 級在三分量中只出現(xiàn)一次。將附圖3所示的投射圖案中第9列到第24列條紋的 各像素的顏色分量展開，如附圖4所示，圖中白色代表紅條紋，黑色代表藍條 紋，網(wǎng)格代表綠條紋。從圖中可看出，每個像素的每個顏色分量在其所投射 的三幅圖像中都存在最大值(記為l)和最小值(記為O)。那么，對于拍攝的 條紋圖像任意一個像素來說，它的三個顏色分量中的每一分量在連續(xù)投射的 多幅圖像中既有最大值出現(xiàn)，也會有最小值出現(xiàn)，因此可以將每個像素的每 個顏色分量歸一化，從而達到顏色的歸一化。利用顏色分量的歸一化為每個像素的每個R、 G、 B分量都產(chǎn)生自己的單 一閾值，以此對每個顏色分量進行閾值分割，從而完成紅綠藍彩色條紋的自乂適應(yīng)閾值分割。4.綠條紋中心及左右邊界亞像素定位本裝置中為正確獲得像素邊緣，關(guān)鍵一點是正確提取綠條紋的中心及左 右邊界，為此采樣一種行掃描技術(shù)，就是對拍攝圖案中每一行像素進行掃描， 分析各像素紅綠藍分量的特征來定位綠條紋中心及邊界。附圖5所示為拍射圖 案中某一行像素的行掃描圖的一部分。附圖5中虛線代表綠分量，粗實現(xiàn)代表 紅分量，細實線代表藍分量，橫坐標為像素列坐標，縱坐標為該點像素分量 的灰度值。提取附圖5(a沖的綠分量各個頂點可以找到綠條紋的中心，利用附 圖5(b)和(c)中紅綠分量、藍綠分量行掃描線的交點可以獲得綠條紋的左右邊界。但事實上，每個基于CCD的彩色攝像機對顏色分量的影響都是不相同的， 也就是雖然投射圖案中各個顏色的強度是相同的，但拍得圖像的顏色之間存 在著互相耦合的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會使上述綠條紋中心和左右邊界的定位不準 確。附圖6是投影儀投射的一幅含有紅綠藍三種顏色條紋的圖像，白色代表紅 條紋，灰色代表綠條紋，深灰色代表藍條紋。圖7是投射圖像中第300行的各 分量行掃描圖，附圖7(a)中的粗實線代表紅分量掃描圖，附圖7(b)中的虛線是 綠分量的行掃描圖，附圖7(c)中的細實線是藍分量的行掃描圖。從圖中顯示各 分量間沒有影響，也就是說投射圖案中紅、綠、藍的灰度級是相同的。附圖8 是用某一彩色CCD攝像機拍攝附圖6圖像的第300行的各分量行掃描圖，從圖 中可以看出各顏色分量之間存在著顏色耦合現(xiàn)象，綠、藍對紅的耦合十分強 烈，紅分量的最大灰度值由原先的255變化到150左右。為解決這種硬件設(shè)備各顏色分量耦合的影響，在采樣行掃描方法對綠條 紋中心及邊界定位時，先計算出紅藍對綠條紋的耦合系數(shù)，利用此系數(shù)對綠 條紋中心及邊界進行亞像素定位，以此獲得更精確的條紋定位。得到條紋精確定位和相應(yīng)碼值后，可依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)對三維物體迸行重構(gòu) 和測量，系統(tǒng)參數(shù)的標定可采用傳統(tǒng)的標定方法來獲得。
權(quán)利要求1.一種基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，其組成包括投影儀，其特征是所述的投影儀為用于產(chǎn)生基于綠條紋分割的由紅綠藍三基色組成的結(jié)構(gòu)光、其中紅藍按格雷碼編碼方式編排，每相鄰紅藍編碼之間用四個像素的綠條紋分割的投影儀，所述的投影儀與計算機連接，該計算機為用于產(chǎn)生彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖案、同時控制攝像機拍攝被物體調(diào)制后的圖像的計算機。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置，其特征 是所述的攝像機與所述的投影儀、物體在同一水平面，它們之間的的連線 成直角三角形狀態(tài)，攝像機與物體的連線位于直角三角形的斜邊上。
專利摘要基于彩色結(jié)構(gòu)光的文物三維重建裝置。在以往的研究中由于基于CCD攝像機的顏色保真度及分辨率的影響，對三維物體的測量精度不高，很難用于精確物體的測量。本產(chǎn)品組成包括投影儀(1)，所述的投影儀(1)為用于產(chǎn)生基于綠條紋分割的由紅綠藍三基色組成的結(jié)構(gòu)光、其中紅藍按格雷碼編碼方式編排，每相鄰紅藍編碼之間用四個像素的綠條紋分割的投影儀，所述的投影儀(1)與計算機(4)連接，該計算機為用于產(chǎn)生彩色結(jié)構(gòu)光編碼圖案、同時控制攝像機(2)拍攝被物體調(diào)制后的圖像的計算機。本產(chǎn)品用于視覺傳感測量技術(shù)與系統(tǒng)、三維信息采集與重構(gòu)領(lǐng)域。
文檔編號G06T17/00GK201218726SQ200820089810
公開日2009年4月8日 申請日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者于曉洋, 關(guān)叢榮 申請人:哈爾濱理工大學(xué)