一种用于结构光投影的二进制编码条纹设计方法

1.本发明涉及结构光三维测量技术领域，具体是一种用于结构光投影的二进制编码条纹设计方法。


背景技术：

2.结构光技术是光学三维测量领域重要的研究方向之一，以其非接触式测量、成本低和高效率等优点，已广泛应用于工业设计、生物医学、智能制造等领域。基于结构光的三维测量技术应用最为广泛的是条纹投影轮廓术，该方法是通过投影系统投射结构光到被测物体表面，利用成像系统拍摄调制光场，通过解调光场信息和进行系统标定，以获取被测物体的深度信息。
3.在投影灰度条纹的过程中，三维测量系统会受到非线性伽马效应的影响，从而导致测量结果的非线性误差。
4.为了减少这种误差，提高测量系统的精度，国内外学者提出了多种降低非线性影响的方法，大致可以分为三个方向。一是误差补偿方法，通过标定出系统的误差分布规律，再对被物体高度调制的变形条纹进行误差补偿。如zhang等人使用事先标定出系统的非线性误差表，使用查找表的方法对变形条纹在(-π,π]的截断相位进行补偿，可以大大降低投影仪非线性引起的相位误差。此类方法在系统环境稳定时具有较好的补偿效果，但系统环境变化时需要重新标定，效率较低；二是离焦投影方法，如su等人使用二值条纹离焦投影的测量方法，也可以减少投影仪的非线性影响，同时显著提高了测量速度，但该方法对于离焦的程度难以掌握，且会导致测量范围只能限制在较小的深度区间内；三是反向误差补偿方法，如huang等人通过额外地多投影附加条纹用于降低非线性误差，zheng等人在此基础上提出了双四步、双五步相移方法（郑东亮,达飞鹏.双步相移光栅投影测量轮廓术[j].光学学报,2012,32(05):94-100.），也有效的减少了测量误差，但该类方法提高了一倍的投影幅数，降低了测量速度。此外，使用多步相移方法也可以有效地减小非线性影响，如十二步相移方法、十六步相移方法等，但此类方法牺牲了重建效率。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种用于结构光投影的二进制编码条纹设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0006]
本发明的技术方案是：一种用于结构光投影的二进制编码条纹设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据所用投影仪的输入分辨率，确定所需正弦条纹的像素宽度m，以及周期数t；步骤二、根据像素宽度m和周期数t得到一个周期内所包含的像素个数m/t，并确定所需正弦条纹中每个灰度值所占像素个数a；步骤三、根据步骤一和步骤二，确定出每个周期内呈正弦变化的灰度值个数m/at，
利用计算机进行模拟、采样得到m/at个十进制灰度值；步骤四、将十进制灰度值四舍五入取整，或保留一位小数，将整数部分和小数部分分别转为8位二进制和4位二进制。然后将二进制码的同一位次的“0”“1”码字组合成一个周期内的二值条纹，并扩展到所有周期内；步骤五、将8或12幅二值条纹进行序列投影，对受到物体调制后的二值条纹进行二进制叠加，得到受物体调制后的正弦条纹图像。
[0007]
优选的，所述步骤三中，十进制获取过程如下：通过步骤一、步骤二确定一个周期的像素个数m/t和每个灰度值所占像素个数a后，可以得到一个周期内确定的灰度值个数m/at，采样间隔为2πat/m，通过以下采样公式获取灰度值：；其中，y为采样获取到的十进制灰度值，x为离散且均匀的，目的为了得到m/at个呈正弦变化的灰度值，灰度值的范围为0~255，灰度值的类型为浮点型。
[0008]
优选的，所述步骤四中，二值条纹的组合过程如下：根据步骤三中获取到的m/at个浮点型灰度值y，进行两种处理方法，一是直接进行四舍五入取整处理得到y1，二是保留一位小数得到y2，处理公式如下：；；其中，-1表示保留一位小数，然后对y1和y2进行二进制转换得到对应的二进制编码，再将所有二进制编码的同一位次的“0”“1”码字进行组合，如所有y1中的第一位码字组合在一起，所有y1中的第二位码字组合在一起，以此类推；由于0-255之间的数值可以用八位二进制来表示，所以无论灰度值个数m/at为多少，均可对应8个二值组合；对于保留一位小数的方法则对应12个二值组合。
[0009]
优选的，所述步骤五中，多幅二值条纹叠加正弦条纹的过程公式如下：包含小数部分叠加公式：；仅整数部分叠加公式：；其中in为n幅二值条纹，ib为一幅全黑条纹图像，i为叠加生成的正弦条纹图像。
[0010]
优选的，所述步骤五中，存在特解情况：根据步骤一、步骤二、步骤三、步骤四中，整数部分对应8个二值组合，1位小数部分对应4个二值组合是一个通解，存在获取到的m/at个浮点型灰度值y后，进行二进制编码后的8幅二值条纹出现相同的可能性。
[0011]
本发明通过改进在此提供一种用于结构光投影的二进制编码条纹设计方法，与现有技术相比，具有如下改进及优点：本发明通过二进制编码的方法获得二值条纹图像，再将采集的二值条纹图像进行叠加，可以得到受物体调制的正弦条纹图像。将投影传统灰度正弦条纹图像改为投影二值条纹图像，减小了系统非线性带来的误差。
附图说明
[0012]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释：图1为本发明实施例的方法流程图；图2为本发明实施例的整数部分一个周期内的二值条纹组合原理图；图3为本发明实施例的保留一位小数部分一个周期内的二值条纹组合原理图；图4为本发明实施例的整数部分二值条纹叠加正弦条纹示意图；图5为本发明实施例的保留一位小数部分二值条纹叠加正弦条纹示意图；图6为本发明实施例的整数部分二值条纹叠加正弦条纹特解示意图。
具体实施方式
[0013]
下面对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0014]
本发明通过改进在此提供一种用于结构光投影的二进制编码条纹设计方法，本发明的技术方案是：如图1所示，一种用于结构光投影的二进制编码条纹设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据所用投影仪的输入分辨率，确定所需正弦条纹的像素宽度m，以及周期数t；步骤二、根据像素宽度m和周期数t得到一个周期内所包含的像素个数m/t，并确定所需正弦条纹中每个灰度值所占像素个数a；步骤三、根据步骤一和步骤二，确定出每个周期内呈正弦变化的灰度值个数m/at，利用计算机进行模拟、采样得到m/at个十进制灰度值；十进制获取过程如下：通过步骤一、步骤二确定一个周期的像素个数m/t和每个灰度值所占像素个数a后，可以得到一个周期内确定的灰度值个数m/at，采样间隔为2πat/m，通过以下采样公式获取灰度值：；其中，y为采样获取到的十进制灰度值，x为离散且均匀的，目的为了得到m/at个呈正弦变化的灰度值，灰度值的范围为0~255，灰度值的类型为浮点型。本实施例中像素宽度为256，周期为8，一个周期内包含的像素个数为32，每个灰度值所占像素个数为2，所以采样十进制灰度值个数为16，具体数据如表1、表2，其中，表1为本发明实施例的保留整数部分的
采样数据；表2为本发明实施例的保留一位小数部分的采样数据： 表1 本发明实施例的保留整数部分的采样数据本发明实施例的保留整数部分的采样数据表2 本发明实施例的保留一位小数部分的采样数据
步骤四、将十进制灰度值四舍五入取整，或保留一位小数，将整数部分和小数部分分别转为8位二进制和4位二进制。然后将二进制码的同一位次的“0”“1”码字组合成一个周期内的二值条纹，并扩展到所有周期内。二值条纹的组合过程如下：根据步骤三中，获取到的m/at个浮点型灰度值y，进行两种处理方法，一是直接进行四舍五入取整处理得到y1，二是保留一位小数得到y2，处理公式如下：；；其中-1表示保留一位小数，然后对y1和y2进行二进制转换得到对应的二进制编码，再将所有二进制编码的同一位次的“0”“1”码字进行组合，如所有y1中的第一位码字组合在一起，所有y1中的第二位码字组合在一起，以此类推。由于0-255之间的数值可以用八位二进制来表示，所以无论灰度值个数m/at为多少，均可对应8个二值组合。对于保留一位小数的方法则对应12个二值组合。本实施例中，小数部分分布在0~0.7之间，故小数部分只需要3幅组合条纹，根据表1、表2进行逐位组合，组合结果及叠加原理如图2、3，其中“1”代表亮度为255，“0”代表亮度为0。图4、图5为叠加正弦条纹示意图。
[0015]
步骤五、将8或12幅二值条纹进行序列投影，对受到物体调制后的二值条纹进行二
进制叠加，得到受物体调制后的正弦条纹图像。
[0016]
其中，多幅二值条纹叠加正弦条纹的过程公式如下：包含小数部分叠加公式：；仅整数部分叠加公式：；其中in为n幅二值条纹，ib为一幅全黑条纹图像，i为叠加生成的正弦条纹图像。
[0017]
根据步骤一、步骤二、步骤三、步骤四中，整数部分对应8个二值组合，1位小数部分对应4个二值组合是一个通解，存在获取到的m/at个浮点型灰度值y后，进行二进制编码后的8幅二值条纹出现相同的可能性。在本实施例中，整数部分组合成二值条纹后，第5幅条纹图像和第7幅条纹图像，第6幅条纹图像和第8幅条纹图像完全相同，故整数部分组合成二值条纹可以由8幅减少为6幅。上述特解情况在图2中可以看出，本特解二值条纹叠加正弦条纹如图6。
[0018]
本发明采用二进制编码二值条纹结合条纹投影轮廓术的策略，目的在于利用二值条纹进行三维测量可以有效避免系统非线性的影响。首先，根据所需投影一幅正弦条纹的像素宽度和周期数，确定出每个周期内包含的像素个数；然后，在一个正弦周期区间内进行采样，采样个数与每个值占多少像素有关，以获得像素的十进制灰度值，通过进制转换的方式可以得到对应的“0”“1”编码；最后，将所有“0”“1”编码中的同一位次的码字组合成二值条纹，以此扩展到所有的周期，得到多幅二值条纹。通过投影二值条纹获取被测物体的调制信息，多幅二进制条纹可以叠加出带有调制信息的正弦条纹图像，从而避免了直接投影灰度正弦条纹。
[0019]
基于上述步骤，即所提出的用于结构光投影的二进制编码条纹设计方法，通过二进制编码的方法获得二值条纹图像，再将采集的二值条纹图像进行叠加，可以得到受物体调制的正弦条纹图像。将投影传统灰度正弦条纹图像改为投影二值条纹图像，减小了系统非线性带来的误差。
[0020]
上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。