顏色編碼結(jié)構(gòu)光三維測量方法

1、第卷第期東北農(nóng)業(yè)大學學報（）：年月文章編號（）顏色編碼結(jié)構(gòu)光三維測量方法于嵩，于曉洋，關(guān)叢榮，吳海濱）（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱摘要：文章對目前各種顏色編碼結(jié)構(gòu)光法進行了系統(tǒng)論述，介紹了基于時間編碼、空間編碼、直接編碼的各種顏色編碼方法的原理，分析了顏色編碼結(jié)構(gòu)光法在三維物體測量工程技術(shù)中應用的優(yōu)缺點，并簡述了顏色編碼結(jié)構(gòu)光三維測量方法的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：顏色編碼；結(jié)構(gòu)光；三維測量中圖分類號：；文獻標識碼：科學技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展使得許多領(lǐng)域越來越多地提出了對三維工件尺寸和形狀參數(shù)測量的要求，相應的產(chǎn)生了許多測量方法。其中結(jié)構(gòu)光法以非接觸測量、高速測量、可測不規(guī)則物體表面等諸多優(yōu)點應用

2、廣泛，發(fā)展迅速，成為目前三維測量的主要趨勢。而顏色編碼結(jié)構(gòu)光法因為運用了豐富的顏色信息，可獲得高精度的條紋定位，解碼錯誤小，為越來越多的人所青睞。本文針對現(xiàn)有的技術(shù)現(xiàn)狀，對顏色編碼結(jié)構(gòu)光法進行了分類整理，討論了其優(yōu)缺點和應用范圍，并對其研究工作進行了總結(jié)和展望?？s短測量時間提高測量效率。由于彩色圖像提供了比灰度圖像更為豐富的信息，所以將景物與圖像進行匹配時，對應特征尋找起來就比較容易?；陬伾幋a的圖案法正受到人們越來越多的關(guān)注。顏色編碼結(jié)構(gòu)光三維測量方法時間編碼這是最常用的編碼方式，根據(jù)投射圖案的時間順序進行編碼，即將一系列的圖案連續(xù)的投射到被測物表面，固定的像素值編碼由一系列的投射圖案顏色

3、值所代表，稱其為時間編碼是因為編碼位在時間順序上是多元的。這種方法可以獲得較高的測量精度，原因有兩個：一是投射了多個圖案，編碼單元的數(shù)量變小，應用了一系列簡單的數(shù)據(jù)，彼此之間容易區(qū)分；二是圖案被連續(xù)投射在物體表面，具有粗定位模式，像素值編碼更準確容易。結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)結(jié)構(gòu)光法是將激光器發(fā)出的光束經(jīng)過光學系統(tǒng)形成某種形式的光，包括點、單線、多線、單圓、同心多圓、網(wǎng)格、十字交叉、灰度編碼圖案、顏色編碼圖案和隨機紋理投影等投向景物，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。根據(jù)投射光圖案的種類可分為單點法、單

4、線法和圖案法。編碼法就是圖案法中的一種，能夠收稿日期：基金項目：國家自然科學基金（）；教育部博士學科點專項科研基金（）；黑龍江教育廳海外學人資助項目（）；哈爾濱市科技攻關(guān)計劃項目（）；黑龍江省研究生創(chuàng)新科研資金項目（）作者簡介：于嵩（），男，黑龍江人，碩士，講師，主要從事測控技術(shù)與通信工程學研究工作。：等提出了一種基于紅綠藍三種顏色的結(jié)構(gòu)光時間編碼方法，該方法用紅、藍色條紋按二進制格雷碼方式編排，并在紅、藍色條紋之間用一個像素的綠條紋作分界，提取綠條紋中心獲得條紋的準確定位，依據(jù)三角法原理實現(xiàn)三維物體測量。該方法又考慮了被測物體本身所具有的顏色對圖像識別的影響，采用了在不同投射光強的條件下拍攝

5、被測物體，并把這些圖像和在同一投射光強下拍攝的彩色條紋圖像一齊進行解碼，從而獲得了高精度的測量結(jié)果。這種方法的優(yōu)點是條紋定位準確，克服了條紋擴散的影響，對自封閉的物體可去東北農(nóng)業(yè)大學學報第卷除陰影下的像素，減小了誤差；缺點是只適用于靜態(tài)物體的測量，不適合運動物體測量。等提出了基于紅、綠、蘭、青、深紅、黃種顏色的二進制格雷碼圖案，并設計一種自適應閾值的方法使被測物體不受本身表面顏色和不連續(xù)性的影響，提高了精度。為了減少解碼錯誤，還使用了一種自校驗方法和采用了亞像素技術(shù)進行了物體表面重建，可測量緩慢移動的物體。二進制編碼方法的缺點在于需要投射大量的圖案，如果增加圖案的灰度值來編碼，編碼圖案就會減少

6、，提出了一種多灰度級顏色格雷碼編碼方法，基于顏色，每幅投射圖案有種灰度值，對于幅圖案就有個編碼，而二進制有顏色格雷碼圖案，正弦曲線顏色可根據(jù)物體的顏色進行選擇，從而該方法可稱為是可適應性的三維測量方法。空間編碼這種編碼方法在單一的投射圖案下集合了各種編碼方式。特定點編碼由其鄰域內(nèi)點的特征構(gòu)成。特征點由其鄰域內(nèi)點像素的灰度值或顏色信息構(gòu)成。這種方法只投射一幅圖案，但增加了投射圖案的復雜程度。由于受其空間鄰域內(nèi)特征點的影響，解碼變得困難，并且其三維誤差也隨之增加。但由于投射圖案少，使整個測量過程的時間大大縮短，滿足了工業(yè)生產(chǎn)中對三維物體形狀快速、準確測量的要求。以下是采用空間編碼方法的實例。個編碼

7、，大大減少了投射圖案的數(shù)量。條紋的等提出了一種紅、綠、藍種顏色條紋中間用黑色條紋隔開的圖案，該彩色條紋圖案被細分成數(shù)個無重復的子圖案序列，把子圖案序列投向被測物體，拍攝一幅彩色圖像，進行解碼和物體重構(gòu)。解碼時采用了一種具有四步運算法則的條紋檢索程序，第一步稱為求取相關(guān)性，把無重復的子圖案序列和圖像分成塊，完成像塊和子圖案的匹配；第二步稱為區(qū)域增長，從匹配過的子圖案增長到整個圖案，像掃描一樣，以免漏掉；第三步是去掉錯誤的匹配；第四步是進行條紋檢索，完成匹配。這種方法的缺點是解碼比較復雜，有時可能導致解碼錯誤，但可以測量運動物體，對條紋丟失和匹配的處理工作還是很有參考價值的，上述方法由于只投射一幅

8、圖案，空間分辨率低，被測物體表面光滑才能保證解碼正確，一般很難達到，為了減少錯誤，運用了比較復雜的方法，采用偽隨機序列編碼可以解決以上問題。顏色可由下列矩陣得到：#$%!&(*$%!&#/(%!"&(0-1-2+-,-.0-1-2+-,-.!表示和示黑色，表示白色，!表在通道光譜反映特性的關(guān)聯(lián)矩陣，"表示非線性過渡矩示物體表面反射系數(shù)矩陣，陣，!表示攝像機對像素顏色的識別能力，!"通過標定得到。表示對周圍環(huán)境光的舊補償，這種方法的缺點是應用了大量的顏色值，容易引起顏色混淆，但提高了測量速度和精度，另一方面，該方法還可以根據(jù)不同情況來確定投射

9、圖案的數(shù)量，以便準確測量。多灰度級編碼方法盡管精度較高，但是沒有用到每個相鄰條紋的信息，投射圖案的深度分辨率受到了限制。等提出了一種顏色格雷碼結(jié)合相位轉(zhuǎn)移技術(shù)，向被測物體投射三幅圖案，其中兩幅是顏色格雷碼圖案，另外一幅是由紅綠藍三條正弦曲線彼此移相°組成的圖案，采用了攝像機進行拍攝，得到了高質(zhì)量的圖像，圖像處理時，進行了顏色空間向空間的轉(zhuǎn)換，在顏色空間里，利用色調(diào)的不同，采用一定的閾值對條紋顏色進行了區(qū)分，獲得了良好的分色效果。該方法適合于白色物體的測量，對于表面顏色豐富的物體，可以把該方法進行擴展，可投射三幅)!表示顏色矩陣，例如，表其中，+-,-.+-,-.)!ü等改善

10、了等提出的方法，設計了一種水平彩色條紋，并用偽隨機序列進行編碼，任意連續(xù)的兩個條紋顏色都是不同的，這樣，該偽隨機序列的長度為（），這里的是顏色的種類，是偽隨機序列窗口寬度。由于偽隨機序列的窗口特性，使圖案和圖像匹配起來比較容易，又基于偽隨機序列的長度提高了系統(tǒng)空間分辨率。等設計了一種彩色水平條紋圖案用來測量動態(tài)物體，該圖案用了紅、綠、藍、黃、深紅、青種顏色條紋，它們之間用黑色條紋隔開，任意個連續(xù)條紋的顏色是唯一的，采用了一種偽隨機序列進行圖案編碼來實現(xiàn)上述方案，拍第期于嵩等：顏色編碼結(jié)構(gòu)光三維測量方法攝了一幅被測物體圖像，圖像處理采用的是彩色空間，用色調(diào)來區(qū)分六種顏色，在解碼的時候，針對條紋丟

11、失和物體表面不連續(xù)造成的條紋沒被拍攝到的情況，使用了一種節(jié)點連接的方法，獲得了很好的效果。后來，等提出了一種用細的水平條紋和豎直條紋交叉構(gòu)成的小方格圖案，這種圖案的好處是小方格容易被分割，而且容易匹配，該圖案被設計成×的小方格，水平條紋使用紅、綠、藍種顏色，豎直條紋使用青、黃、深紅種顏色，采用了一種窗口特性尺寸為的偽隨機序列對水平條紋和豎直條紋進行編碼，利用窗口特性進行解碼完成物體的重建。等提出了類似的×的方格圖案，然而該方法不是利用交叉點進行物體的重建，而是用交叉小方格的四個角進行重建，這樣，系統(tǒng)的分辨率提高了，但條紋的寬度增加了，交叉點的個角就沒有落到同一個像素上。另外

12、，臉，利用邊緣檢測和變換分割方法獲得了不同顏色點圖像，又利用偽隨機序列的窗口特性進行了匹配，獲得了很好的效果。直接編碼直接定義了每個像素的編碼，由其色彩值代表。可以制造出多種投射圖案模式進行編碼，各種圖案編碼疊加可以確定任意點上的任意一個像素。為獲得這樣的目標，需要應用大量的彩色值，噪聲值也隨之增加。另外彩色圖像不僅依賴投射設備，還受到被測表面的光譜因素影響。這意味著要采用一個或多個參考圖像。因此這種方法不適合動態(tài)測量。直接編碼法通常限定于中值色彩物體或白色表面物體，并需要識別整個被測物表面的光譜。例如，等提出了一種向被測物體投射彩虹圖案的方法，該圖案由白光穿過一個晶體棱鏡來獲得，包括了從紅到

13、藍波長連續(xù)變化的顏色，由單色的攝像機拍攝一組圖像。把其中兩幅圖像通過兩種不同顏色的濾波器，從而獲得兩種不同的顏色值，計算每一像素兩種顏色的比值來完成物點和像點的匹配。因為應用了大量的彩色值，增加了噪聲值和非線性，從而加大了誤差。改善了這種方法，他用了一個波長連續(xù)線性變化的顏色濾波器來產(chǎn)生彩虹圖案和使用攝像機拍攝圖像，這樣，只需一幅圖像就可以完成物體表面的測量，提高了測量速度，提高了效率。等也提出了類似的方格圖案，使用了一種基于種顏色的窗口尺寸為長度為的偽隨機序列進行編碼，該方法也不是利用交叉點進行物體重建，而是利用曲線，使用了曲線進行物體重建。等研制了一種基于偽隨機序列編碼的技術(shù)，取得了很好的

14、重建效果，設計了一種由個豎直條紋組成的彩色圖案，該圖案使用了種顏色并用窗口尺寸為的偽隨機序列進行編碼，為了更好的使像點和物點匹配，等使用了一種多路徑的動態(tài)規(guī)劃算法，這樣，該方法可以測量自封閉和表面不連續(xù)的物體，改善了曾提出的動態(tài)規(guī)劃算法。而且，等還把該技術(shù)運用于基于時間編碼方法的測量中，通過投射幾幅連續(xù)移動圖案并采用了亞像素定位技術(shù)進行了三維測量。設計了一種多譜線投影測距儀，提出了只需要一個投影儀和一個攝像機的新技術(shù)，該技術(shù)克服了被測物體表面反射的影響，向物體投射周期彩虹圖案次，每次移動周期的相位，拍攝的三幅圖像被線性的合并成一幅圖像，證明了合并后圖像上的每一像素色調(diào)值等于投射的第一幅圖案的像

15、素色調(diào)值，這樣就可以進行匹配工作了。為了得到好的分辨率，必須連續(xù)的投射周期圖案，從而周期的識別就成了解碼時的關(guān)鍵所在了。等設計了一種×的二維矩陣圖案，該矩陣的元素是不同顏色的點或者是不同的符號，采用偽隨機序列進行編排，它的窗口特性是不重復為×的子矩陣，該方法可測量動態(tài)物體，定位準確，并能消除物體陰影和自封閉的影響，但點的分割復雜一些，如果被測物體表顏色豐富，不便于應用元素是顏色點的矩陣。等等用等提出了一種三步相移技術(shù)，屬于直接編碼法。該方法只向被測物體投射一幅圖案，該圖案由三條交錯重疊的正弦曲線組成，第一條正弦曲線是紅色的，第二條正弦曲線是綠色，相對于第一條移相°

16、，第三條藍色曲線相對于第二條移相。拍攝一幅被測物體圖像，每一個像素的相移°可由下式得出：等的方法設計了一種由青、黃、深紅種顏色點組成的矩陣圖案，用來測量正在演講者的東北農(nóng)業(yè)大學學報第卷（，）（）!其中，（，）表示每一像素的相移，、!分別表示該像素點顏色值的亮度。該系統(tǒng)只獲得一幅編碼圖像，所以測量速度比較快，但不適合于表面顏色豐富物體的測量。在等也提出了一種三步相移技術(shù)，投射的圖案也是由三條紅綠藍正弦曲線組成，彼此相位互差°，用攝像機拍攝了一幅圖像，針對顏色關(guān)聯(lián)和不平衡現(xiàn)象采用軟件和硬件的方法進行了補償。該方法可用于高速動態(tài)物體的測量，但卻不能用于表面顏色豐富和表面陡峭的物體

17、測量。：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，ü，：，：，（）：，：，：，結(jié)論和展望本文對各種顏色編碼結(jié)構(gòu)光法進行了論述，包括時間編碼、空間編碼、直接編碼，討論了優(yōu)缺點和應用范圍。時間編碼是最早提出來的編碼方法，它的優(yōu)點是容易實現(xiàn)，空間分辨率高測量準確，但主要缺點是不能測量動態(tài)物體，為了達到最高分辨率可以采用格雷碼結(jié)合相位轉(zhuǎn)移技術(shù)，但卻增加了投射圖案減低了測量速度?？臻g編碼相對于時間編碼的優(yōu)點是可以采取更多的編碼策略，而且只拍攝一幅圖像，可以測量動態(tài)物體，但空間分辨率低，另外為了減少解碼錯誤運用了一定的法則，這樣就增加了技術(shù)的復雜性，偽隨機序列的應用，提高了分辨率，但大量顏色的應用又增加了噪聲。直接編碼的優(yōu)點是投射圖案少但卻獲得高空間分辨率，它的缺點是過