基于二值网格编码模板结构光的物体表面深度值测量方法论文和设计-李甫

全文摘要

本发明提出了一种基于二值网格编码模板结构光的物体表面深度值测量方法，旨在通过减少物体表面彩色和表面跳变对离散特征解码的干扰，提高物体表面深度值的测量精度，实现步骤为：1)设计二值网格编码模板P；2)获取灰度变形图像I；3)删除灰度变形图像I中的环境光照和离散特征；4)获取包含网格线位置信息和离散特征的变形图象I3；5)获取变形图像I3以及二值网格编码模板P的码元序列；6)求取变形图像I3网格线像素点的匹配点；7)计算待测目标物体O表面的深度信息值ZW。本发明可用于人机交互、逆向工程、自动导航和生物医学测试等场景。

主设计要求

1.一种基于二值网格编码模板结构光的物体表面深度值测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)设计二值网格编码模板P：(1a)获取黑色背景模板，并在该模板上通过数量相同的多条白色横网格线和竖网格线施划m×m个正方形网格，然后建立以每个网格中心为原点，原点右侧为x轴正方向的二维坐标系，81≥m≥4；(1b)设置3元4阶DeBruijn序列ak，并将ak的码元向后移动两位，得到DeBruijn序列bk，然后将序列bk排列在序列ak下方，得到伪二维DeBruijn序列；(1c)对伪二维DeBruijn序列进行次复制，并将复制得到的伪二维DeBruijn序列纵向排列，得到编码矩阵；(1d)将从编码矩阵中选取的m×m个码元按照从左到右从上到下的顺序，映射到步骤(1a)获取的模板上对应位置的网格中，并根据码元的属性设计每个网格左半区域的离散特征,若码元属于序列ak，则将与x轴正方向成135度夹角位置施划的白色短斜线作为表示码元属于序列ak的离散特征，若码元属于序列bk，则将与x轴正方向成225度夹角位置施划的白色短斜线作为表示码元属于序列bk的离散特征，同时，根据码元的值在每个网格右半区域设计离散特征，若码元值为1，则将与x轴正方向成45度位置施划的白色短斜线作为表示码元值为1的离散特征，若码元值为2，则将与x轴正方向成-45度位置施划的白色短斜线作为表示码元值为2的离散特征，若码元值为0，则将网格右半区域作为表示码元值为0的离散特征，得到二值网格编码模板P；(2)获取灰度变形图像I：将投影仪T与摄像机V水平放置，并使两者光轴平行，用投影仪T将所述的二值网格编码模板P投射到目标物体O上，通并用摄像机V对该目标物体O进行拍摄，获得经过目标物体O调制后的灰度变形图像I；(3)删除灰度变形图像I中的环境光照和离散特征：(3a)删除灰度变形图像I中的环境光照，得到变形图像T(I)，其中，表示灰度级的开操作，b表示平坦结构单元SE，表示环境光照；(3b)对变形图像T(I)进行二值化操作，得到二值图像，并在水平方向和竖直方向上分别对该二值图像进行形态学开操作，用于删除灰度变形图像I每个网格左半区域表示码元属性的离散特征和右半区域表示码值的离散特征，得到仅包含网格线的变形图像I2；(4)获取包含网格线位置信息和离散特征的变形图象I3：(4a)构建变形图像I2中的每条网格线的能量函数，并求取每个能量函数的闭式解，得到每个能量函数对应网格线上各像素点的坐标；(4b)将每条网格线上各像素点的坐标赋予变形图像T(I)对应网格线上对应的各像素点，得到包含网格线位置信息和离散特征的变形图象I3；(5)获取变形图像I3以及二值网格编码模板P的码元序列：(5a)对变形图像I3的离散特征和二值网格编码模板P的离散特征分别进行解码，得到变形图像I3以及二值网格编码模板P的编码矩阵；(5b)采用大小由2×2个码元组成的滑窗窗口，以1个码元为步长，按照从上到下从左到右的顺序分别在变形图像I3的编码矩阵和二值网格编码模板P编码矩阵上滑动，得到变形图像I3的码元序列和二值网格编码模板P的码元序列；(6)求取变形图像I3网格线像素点的匹配点：根据外极限约束原理，并通过变形图像I3的码元序列和二值网格编码模板P的码元序列，求取变形图像I3网格线上的每个像素点在二值网格编码模板P网格线上的匹配点；(7)计算待测目标物体O表面的深度信息值ZW：采用三角测距方法，并通过变形图像I3网格线上的每个像素点在二值网格编码模板P网格线上的匹配点，计算待测目标物体O表面的深度信息值ZW。

设计方案

1.一种基于二值网格编码模板结构光的物体表面深度值测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设计二值网格编码模板P：

(1a)获取黑色背景模板，并在该模板上通过数量相同的多条白色横网格线和竖网格线施划m×m个正方形网格，然后建立以每个网格中心为原点，原点右侧为x轴正方向的二维坐标系，81≥m≥4；

(1b)设置3元4阶De Bruijn序列a _{k<\/sub>，并将a_{k<\/sub>的码元向后移动两位，得到De Bruijn序列b _{k<\/sub>，然后将序列b_{k<\/sub>排列在序列a_{k<\/sub>下方，得到伪二维De Bruijn序列；}}}}}

(1c)对伪二维De Bruijn序列进行设计说明书

技术领域

本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种物体表面深度值的测量方法，具体涉及一种基于单帧二值网格编码模板的结构光法的物体表面深度值测量方法，可应用于人机交互、逆向工程、自动导航和生物医学测试等领域。

背景技术

随着计算机视觉的不断发展，3D成像技术得到了越来越广泛的应用。到目前为止，已有大量的深度感知技术被研究和应用，其中测量物体表面的深度信息的方法有：时间飞行法、立体视觉法以及结构光法。其中对于结构光法，本质是设计含有空间或相位等信息的模板，用投影仪将其投射到待测物体上，待测物体使模板发生形变，用摄像机拍摄待测物体得到形变图像，将形变图像和初始模板进行匹配解码，由此获得物体表面的深度信息的方法。由于其实现原理简单、测量精度、分辨率高，以及鲁棒性好等特点而被广泛研究。

根据编码方式的不同，结构光法通常分为基于时间编码的结构光法和基于空间编码的结构光法。其中基于时间编码的结构光法是向待测场景中投射多张编码模板，利用模板中每个像素点的灰度或者颜色信息，并按照模板投射的顺序可以对场景中每个点形成唯一编码值，利用该唯一码值，辅助获得场景深度信息。常见的时间编码法有相移法和格雷码法。然而，该方法使用的是多帧编码模板，所以测量过程耗费时间过长。基于空间编码的结构光法通常利用像素点周围的灰度值、颜色以及自定义图形特征对像素点进行编码，形成携带空间信息的编码模板，并利用模板的空间信息，辅助获得场景深度信息的方法，该方法仅需要向场景中投射一幅模板，耗费时间短。

根据模板中像素灰度值是否连续变化，基于空间编码的结构光法又可以分为基于单帧连续编码的结构光法和基于单帧离散编码的结构光法，相比于基于单帧连续编码的结构光法，基于单帧离散编码的结构光法具有较强的鲁棒性，因而获得了更加广泛的研究，该方法所使用的模板通常是采用诸如颜色、条纹、线条、菱形和多边形等离散特征，按照特定的编码方式排列形成的，由于在测量过程中需要获取编码模板在变形模板上的匹配点，这一过程会因为环境的噪声或模板编码信息的缺乏而变得非常困难，所以现有技术往往会使用多种离散特征相结合的方式，让模板携带足够多的信息来辅助进行像素点的匹配，以提高测量精度。比如，申请公布号为CN109191562A，名称为“基于彩色伪随机编码结构光的三维重建方法”的专利申请，公开了一种基于彩色伪随机编码结构光的物体表面深度值的方法,该方法利用颜色和多个方格作为离散特征对模板进行编码，使该彩色结构光编码模板的奇数行方格颜色相同，偶数行方格颜色相同，将上述编码模板投射到待测场景，然后利用摄像机采集变形图像，接着对变形图像进行角点提取，再对所提角点进行特征描述和匹配，最后利用三角测量法得到物体表面的深度信息。但存在的缺陷是，该方法使用彩色网格线作为离散特征在解码过程中受到待测物体表面彩色的干扰，使得最终测量的精度受到影响，且离散特征是稀疏的，导致在解码过程中使用的滑窗窗口比较大，物体表面跳变也会影响测量的精度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于二值网格编码模板结构光的物体表面深度值测量方法，首先设计二值网格编码模板，将该模板投射到待测物体上使其发生形变，再用摄像机对待测物体进行拍摄，得到变形图象，通过获取变形图象中网格线上的像素点在编码模板上的匹配点，利用三角测距原理得到待测物体的表面的深度信息，旨在通过减少物体表面彩色和表面跳变对离散特征解码的干扰，提高物体表面深度值的测量精度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)设计二值网格编码模板P：

(1c)对伪二维De Bruijn序列进行设计图

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