一種時空二元編碼產生正弦結構光場的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光學H維傳感技術中產生正弦結構光場的方法，特別涉及一種時空二 元編碼產生正弦結構光場的方法。
【背景技術】
[0002] 光學H維傳感技術具有非接觸、測量速度快、系統柔性好、精度高、數據易于自動 處理等顯著優點，在虛擬現實、影視特技、生物醫學、工業產品的外觀設計、藝術雕塑和文物 保護等方面具有廣泛的應用前景。
[0003] 根據H維面形對結構光調制的方式不同分為時間調制和空間調制兩大類。飛行時 間法對傳感器的時間分辨率要求極高，只適合長距離測量。空間調制先后采用點、線、面結 構光照明的方式獲取受物體調制的結構光場。采用面結構光照明由于具備更高的測量效率 成為目前的研究熱點，主要包括基于H角原理的相位測量輪廓術、傅里葉變換輪廓術（窗口 傅里葉變換輪廓術)、s變換輪廓術、小波變換輪廓術、相位偏折術W及采用垂直測量原理的 調制度測量輪廓術等。它們的共同特點是投影正弦結構光場，然后獲取受物體調制的變形 條紋，通過分析條紋的相位、強度、對比度或者調制度等參數得到物體的H維數據。然而，無 論從變形條紋提取何種參數重建H維面形，結構光場的正弦性都是決定測量精度的首要因 素。
[0004] 商用數字投影儀產生結構光近年來被廣泛應用于光學H維傳感技術。其顯著優點 是可實現零誤差相移；可根據需要任意改變條紋周期，等等，靈活性大大提高。然而，商用 數字投影儀在測量中也存在非線性，破壞了條紋的正弦性W及有限峽頻(例如，普通商用數 字投影儀灰度圖像的切換頻率為120Hz)限制多峽灰度正弦條紋的切換等問題，阻礙了其在 高速高精度測量領域的應用。采用二值條紋代替連續灰階的標準正弦條紋產生正弦結構光 場，可W充分利用數字投影儀固有的二元圖形高峽頻切換功能實現高速測量。目前的脈沖 寬度調制技術，編碼均是在一維尺度，對于條紋周期太小或者太大的場合并不同時有效。借 鑒數字半色調技術的抖動技術，包括誤差擴散編碼技術，在一維或二維尺度基于強度進行 簡單編碼，在條紋周期較大時，相對于方波光柵(亦稱羅奇光柵）可W顯著提高精度，但對于 條紋周期較小的情況誤差仍然較大。在相位或者強度域通過大量迭代的一些優化算法，一 定程度上改善了測量精度，但優化極為耗時，靈活性較差。現有的方法大多屬于空間編碼的 范疇，即在一幅圖像內進行編碼。
【發明內容】
[0005] 本發明是針對現有的結構光編碼存在的不足；適用范圍有限W及編碼靈活性差 等，發明一種新的時空二元編碼產生正弦結構光場的方法。該方法將標準的正弦條紋圖同 時進行二維時間和空間編碼得到2" 2)幅二值條紋圖，利用數字投影儀投影并實時采 集進行線性疊加得到與標準正弦條紋相同結構特征的高質量正弦條紋。由于利用了數字投 影儀固有的高速二元圖形切換功能，且不受非線性影響，具備實現高速高精度的H維面形 測量的優勢。
[0006] 本發明的目的是采用下述技術方案來實現的： 產生正弦結構光場的時空二元編碼方法，將計算機預先產生的一幅標準正弦條紋圖按 照灰度分布等分為2" 2)個區間(共2 "+1 2)種灰度狀態)，分別對每個區間在 時間域和空間域采用二維誤差擴散進行編碼得到共2" 2)幅二值條紋圖；利用數字投 影儀固有的二元圖形高速切換功能將一序列二值條紋圖依次投影并經成像系統采集后線 性疊加得到高質量的正弦結構條紋，W提高基于正弦結構光H維面形測量技術的速度和精 度。
[0007] 本發明與現有技術相比有如下優點： 1.本發明的時空二元編碼產生結構光場的方法，除了具備空間域采用的誤差擴散編碼 高精度的優點W外，還將量化誤差進行時間域擴散，得到的正弦結構條紋具有更高的正弦 性。
[0008] 2.本發明的時空二元編碼產生結構光場的方法分解得到的2" 2)個二值條 紋圖只有0-1兩種狀態，不受數字投影儀非線性影響，同時可W充分利用數字投影儀固有 的高速二元圖形切換功能實現高速高精度H維面形測量。
[0009] 3.本發明的時空二元編碼產生結構光場的方法編碼方法效率高，無需大量迭代， 可W根據實際需要靈活改變標準正弦條紋的大小和周期，滿足不同測量需求。
[0010] 4.本發明適用范圍廣，滿足所有基于正弦結構光數字投影的H維面形測量技術， 如相位測量輪廓術、空間相位檢測技術及傅里葉變換輪廓術等。
【附圖說明】
[0011] 圖1本發明情況下時空二元編碼流程圖。
[0012] 圖2本發明情況下采用的二維誤差擴散示意圖。
[0013] 圖3本發明情況下相位測量輪廓術原理圖。
[0014] 圖4本發明情況下將一幅標準正弦條紋圖分解為4幅二值條紋圖實例。
[0015] 圖5本發明情況下將一幅標準正弦條紋圖分解為4幅二值條紋圖的編碼查找表。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖、工作原理及實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0017] 本發明提出的一種時空二元編碼主要包括標準條紋灰度均分、闊值量化、誤差擴 散和編碼四個部分。其中闊值量化、誤差擴散和編碼H個部分緊密關聯。
[0018] 附圖1中1是計算機產生的一幅標準正弦條紋圖，其數學形式為 .1\ V) = 0.5 + 0.5 cost 2.T/；,.￥) (1) 其中表示標準正弦條紋的頻率，與周期/7互為倒數關系。
[0019] 根據公式（1)，計算機產生的標準正弦條紋1灰度分布范圍為0?1，本發明提出的 一種時空二元編碼方法根據標準正弦條紋的灰度分布，將其均分為2" 2)個的強度區 間[(左-1)/2。，左/巧（仁1，2,3，...，20，產生共（2。+1)(/?>2)種灰度狀態，對應分解為 附圖1中2、3、4、…、5共2" 2)幅二值條紋圖(僅給出了邊框示意，下文將W實例進 一步說明）。對于均分的每一個灰度區間[(A-l)/2"，V2") U=l，2,3,…，20,對應的量化 闊值為（左-1)/2。+左/2。=(2左-1)/2"(仁1， 2,3，...，20。
[0020] 對于第的^灰度區間，任意一個元素r(i，./i，誤差擴散后得到的修正值是 乂' (1. /). 為該強度區間第（i，刀個元素的擴散誤差，它們之間的關系為
【主權項】
1. 一種適用于數字結構光三維傳感測量的時空二元編碼方法，其特征在于將計算機產 生的一幅標準正弦條紋圖通過時間和空間編碼分解成2Λ 2)幅二值條紋圖，然后利用 數字投影儀將一時間序列的二值條紋圖投影并經成像系統獲取，所得正弦條紋圖特征結構 與標準正弦條紋圖相同。
2. 根據權利要求1所述的時空二元編碼方法，其特征在于將一幅標準正弦條紋圖的灰 度值等分為2Λ (/?> 2)個區間，對應2 Λ+1 (/?> 2)個灰度狀態，對每個區間分別采用二維 誤差擴散的方式進行空間編碼得到相應的一幅二值條紋圖，量化誤差同時在本灰度值區間 和其它灰度值區間對應的二值條紋圖以行列方式進行擴散，從而實現時間編碼。
3. 根據權利要求1或2所述的時空二元編碼方法產生的2 Λ (/?> 2)幅二值條紋圖，其 特征在于每幅二值條紋圖灰度值僅有0-1兩種狀態，不受數字投影儀非線性的影響，利用 數字投影固有的二元圖形高速切換功能可以實現高速高精度測量。
4. 根據權利要求1所述的時空二元編碼方法，其特征在于成像系統獲取時空編碼的二 值條紋圖時，可以分別獲取2Λ (/?> 2)幅二值條紋圖，然后線性疊加成為一幅正弦條紋圖， 也可以一次同時獲取2Λ (/?> 2)幅二值條紋圖，即成像系統獲取一幅圖像的時間與數字投 影儀投影2Λ (/?> 2)幅二值條紋圖的時間相同，這時成像系統的幀頻可以是投影儀幀頻的 /2n (/7^ 2)〇
【專利摘要】本發明是三維傳感技術中用時空二元編碼產生正弦結構光的方法，它將計算機產生的標準正弦條紋圖1按照灰度分布等分為2<i>n</i>（<i>n</i>≥2）個區間，然后對每個區間采用二維誤差擴散進行時間和空間編碼得到2、3、4、…、5共2<i>n</i>（<i>n</i>≥2）個二值條紋圖；將這一序列的二值條紋圖投影并經成像系統采集后線性疊加得到高質量的正弦條紋6。投影的一系列二值條紋圖不受數字投影儀非線性響應的影響同時充分利用了數字投影儀高速二元圖形切換功能，提高了三維面形測量的速度和精度。
【IPC分類】G01B11-25
【公開號】CN104567730
【申請號】CN201510019925
【發明人】蘇顯渝, 朱江平, 游志勝
【申請人】四川大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月15日