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(xué)學(xué)報(bào)（）：年月文章編號(hào)（）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(xué)工程學(xué)院，哈爾濱摘要：文章對(duì)目前各種顏色編碼結(jié)構(gòu)光法進(jìn)行了系統(tǒng)論述，介紹了基于時(shí)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(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，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(hào)：；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：科學(xué)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(duì)三維工件尺寸和形狀參數(shù)測量的要求，相應(yīng)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(diǎn)應(yīng)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?yàn)檫\(yùn)用了豐富的顏色信息，可獲得高精度的條紋定位，解碼錯(cuò)誤小，為越來越多的人所青睞。本文針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)顏色編碼結(jié)構(gòu)光法進(jìn)行了分類整理，討論了其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍，并對(duì)其研究工作進(jìn)行了總結(jié)和展望?？s短測量時(shí)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(jìn)行匹配時(shí)，對(duì)應(yīng)特征尋找起來就比較容易?；陬伾幋a的圖案法正受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。顏色編碼結(jié)構(gòu)光三維測量方法時(shí)間編碼這是最常用的編碼方式，根據(jù)投射圖案的時(shí)間順序進(jìn)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(shí)間編碼是因?yàn)榫幋a位在時(shí)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(gè)：一是投射了多個(gè)圖案，編碼單元的數(shù)量變小，應(yīng)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(zhǔn)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(xué)系統(tǒng)形成某種形式的光，包括點(diǎn)、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(jī)紋理投影等投向景物，在景物上形成圖案并由攝像機(jī)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(jìn)行計(jì)算、得到景物表面的深度圖像，進(jìn)一步計(jì)算出物面的三維坐標(biāo)值。根據(jù)投射光圖案的種類可分為單點(diǎn)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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（）；教育部博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（）；黑龍江教育廳海外學(xué)人資助項(xiàng)目（）；哈爾濱市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（）；黑龍江省研究生創(chuàng)新科研資金項(xiàng)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(xué)研究工作。：等提出了一種基于紅綠藍(lán)三種顏色的結(jié)構(gòu)光時(shí)間編碼方法，該方法用紅、藍(lán)色條紋按二進(jìn)制格雷碼方式編排，并在紅、藍(lán)色條紋之間用一個(gè)像素的綠條紋作分界，提取綠條紋中心獲得條紋的準(zhǔn)確定位，依據(jù)三角法原理實(shí)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(duì)圖像識(shí)別的影響，采用了在不同投射光強(qiáng)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(qiáng)下拍攝的彩色條紋圖像一齊進(jìn)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(diǎn)是條紋定位準(zhǔn)確，克服了條紋擴(kuò)散的影響，對(duì)自封閉的物體可去東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第卷除陰影下的像素，減小了誤差；缺點(diǎn)是只適用于靜態(tài)物體的測量，不適合運(yùn)動(dòng)物體測量。等提出了基于紅、綠、蘭、青、深紅、黃種顏色的二進(jìn)制格雷碼圖案，并設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)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(cuò)誤，還使用了一種自校驗(yàn)方法和采用了亞像素技術(shù)進(jìn)行了物體表面重建，可測量緩慢移動(dòng)的物體。二進(jìn)制編碼方法的缺點(diǎn)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(huì)減少

6、，提出了一種多灰度級(jí)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(duì)于幅圖案就有個(gè)編碼，而二進(jìn)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(jìn)行選擇，從而該方法可稱為是可適應(yīng)性的三維測量方法?？臻g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(diǎn)編碼由其鄰域內(nèi)點(diǎn)的特征構(gòu)成。特征點(diǎn)由其鄰域內(nèi)點(diǎn)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(fù)雜程度。由于受其空間鄰域內(nèi)特征點(diǎn)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(gè)測量過程的時(shí)間大大縮短，滿足了工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)三維物體形狀快速、準(zhǔn)確測量的要求。以下是采用空間編碼方法的實(shí)例。個(gè)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(lán)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(xì)分成數(shù)個(gè)無重復(fù)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(jìn)行解碼和物體重構(gòu)。解碼時(shí)采用了一種具有四步運(yùn)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(fù)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(gè)圖案，像掃描一樣，以免漏掉；第三步是去掉錯(cuò)誤的匹配；第四步是進(jìn)行條紋檢索，完成匹配。這種方法的缺點(diǎn)是解碼比較復(fù)雜，有時(shí)可能導(dǎo)致解碼錯(cuò)誤，但可以測量運(yùn)動(dòng)物體，對(duì)條紋丟失和匹配的處理工作還是很有參考價(jià)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(dá)到，為了減少錯(cuò)誤，運(yùn)用了比較復(fù)雜的方法，采用偽隨機(jī)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(jī)對(duì)像素顏色的識(shí)別能力，!"通過標(biāo)定得到。表示對(duì)周圍環(huán)境光的舊補(bǔ)償，這種方法的缺點(diǎn)是應(yīng)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(zhǔn)確測量。多灰度級(jí)編碼方法盡管精度較高，但是沒有用到每個(gè)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(lán)三條正弦曲線彼此移相°組成的圖案，采用了攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，得到了高質(zhì)量的圖像，圖像處理時(shí)，進(jìn)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(duì)條紋顏色進(jìn)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(duì)于表面顏色豐富的物體，可以把該方法進(jìn)行擴(kuò)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(shè)計(jì)了一種水平彩色條紋，并用偽隨機(jī)序列進(jìn)行編碼，任意連續(xù)的兩個(gè)條紋顏色都是不同的，這樣，該偽隨機(jī)序列的長度為（），這里的是顏色的種類，是偽隨機(jī)序列窗口寬度。由于偽隨機(jī)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(jī)序列的長度提高了系統(tǒng)空間分辨率。等設(shè)計(jì)了一種彩色水平條紋圖案用來測量動(dòng)態(tài)物體，該圖案用了紅、綠、藍(lán)、黃、深紅、青種顏色條紋，它們之間用黑色條紋隔開，任意個(gè)連續(xù)條紋的顏色是唯一的，采用了一種偽隨機(jī)序列進(jìn)行圖案編碼來實(shí)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(shí)候，針對(duì)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(diǎn)連接的方法，獲得了很好的效果。后來，等提出了一種用細(xì)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(shè)計(jì)成×的小方格，水平條紋使用紅、綠、藍(lán)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(jī)序列對(duì)水平條紋和豎直條紋進(jìn)行編碼，利用窗口特性進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行物體的重建，而是用交叉小方格的四個(gè)角進(jìn)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(diǎn)的個(gè)角就沒有落到同一個(gè)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(diǎn)圖像，又利用偽隨機(jī)序列的窗口特性進(jìn)行了匹配，獲得了很好的效果。直接編碼直接定義了每個(gè)像素的編碼，由其色彩值代表?？梢灾圃斐龆喾N投射圖案模式進(jìn)行編碼，各種圖案編碼疊加可以確定任意點(diǎn)上的任意一個(gè)像素。為獲得這樣的目標(biāo)，需要應(yīng)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(shè)備，還受到被測表面的光譜因素影響。這意味著要采用一個(gè)或多個(gè)參考圖像。因此這種方法不適合動(dòng)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(shí)別整個(gè)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(gè)晶體棱鏡來獲得，包括了從紅到

13、藍(lán)波長連續(xù)變化的顏色，由單色的攝像機(jī)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(jì)算每一像素兩種顏色的比值來完成物點(diǎn)和像點(diǎn)的匹配。因?yàn)閼?yīng)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(gè)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(jī)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(jī)序列進(jìn)行編碼，該方法也不是利用交叉點(diǎn)進(jìn)行物體重建，而是利用曲線，使用了曲線進(jìn)行物體重建。等研制了一種基于偽隨機(jī)序列編碼的技術(shù)，取得了很好的

14、重建效果，設(shè)計(jì)了一種由個(gè)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(jī)序列進(jìn)行編碼，為了更好的使像點(diǎn)和物點(diǎn)匹配，等使用了一種多路徑的動(dòng)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(dòng)態(tài)規(guī)劃算法。而且，等還把該技術(shù)運(yùn)用于基于時(shí)間編碼方法的測量中，通過投射幾幅連續(xù)移動(dòng)圖案并采用了亞像素定位技術(shù)進(jìn)行了三維測量。設(shè)計(jì)了一種多譜線投影測距儀，提出了只需要一個(gè)投影儀和一個(gè)攝像機(jī)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(dòng)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(jìn)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(shí)別就成了解碼時(shí)的關(guān)鍵所在了。等設(shè)計(jì)了一種×的二維矩陣圖案，該矩陣的元素是不同顏色的點(diǎn)或者是不同的符號(hào)，采用偽隨機(jī)序列進(jìn)行編排，它的窗口特性是不重復(fù)為×的子矩陣，該方法可測量動(dòng)態(tài)物體，定位準(zhǔn)確，并能消除物體陰影和自封閉的影響，但點(diǎn)的分割復(fù)雜一些，如果被測物體表顏色豐富，不便于應(yīng)用元素是顏色點(diǎn)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(cuò)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(duì)于第一條移相°

16、，第三條藍(lán)色曲線相對(duì)于第二條移相。拍攝一幅被測物體圖像，每一個(gè)像素的相移°可由下式得出：等的方法設(shè)計(jì)了一種由青、黃、深紅種顏色點(diǎn)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(xué)學(xué)報(bào)第卷（，）（）!其中，（，）表示每一像素的相移，、!分別表示該像素點(diǎn)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(lán)正弦曲線組成，彼此相位互差°，用攝像機(jī)拍攝了一幅圖像，針對(duì)顏色關(guān)聯(lián)和不平衡現(xiàn)象采用軟件和硬件的方法進(jìn)行了補(bǔ)償。該方法可用于高速動(dòng)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(duì)各種顏色編碼結(jié)構(gòu)光法進(jìn)行了論述，包括時(shí)間編碼、空間編碼、直接編碼，討論了優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍。時(shí)間編碼是最早提出來的編碼方法，它的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，空間分辨率高測量準(zhǔn)確，但主要缺點(diǎn)是不能測量動(dòng)態(tài)物體，為了達(dá)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(duì)于時(shí)間編碼的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)態(tài)物體，但空間分辨率低，另外為了減少解碼錯(cuò)誤運(yùn)用了一定的法則，這樣就增加了技術(shù)的復(fù)雜性，偽隨機(jī)序列的應(yīng)用，提高了分辨率，但大量顏色的應(yīng)用又增加了噪聲。直接編碼的優(yōu)點(diǎn)是投射圖案少但卻獲得高空間分辨率，它的缺點(diǎn)是過