一種高幀率運動物體三維測量方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及圖像處理、計算機圖形學、結構光三維掃描等領域，特別涉及一種基于 結構光投影的、編解碼算法簡單、高測量效率、高測量精度的高幀率運動物體三維測量方 法。
【背景技術】：
[0002] 近年來，三維測量技術在人體建模、模式識別、工業檢測、逆向工程以及目標識別 等領域得到了廣泛應用，顯示出了強大的商業前景。隨著計算機技術以及光學半導體技術 的發展，基于計算機視覺的結構光三維形態測量技術以其測量過程不直接接觸被測物體、 測量效率高等優勢取得了巨大的發展。結構光編碼方式總體上可分為時域結構光編碼方式 和空間結構光編碼方式，時域結構光編碼方式往往向被測物體投影多幅編碼圖像獲取物體 的三維形態信息，測量精度高，但是它往往只適用于靜態物體三維測量。而空間結構光編碼 方式只需要向被測物體投影單個光柵圖像，可以適用于運動物體三維測量，但是其編解碼 算法復雜，測量效率、精度較低。以上問題嚴重地限制了結構光三維測量技術在諸如快速自 動化生產線產品檢測中的應用。
【發明內容】
：
[0003] 本發明要解決的技術問題是，提供一種基于結構光投影的、編解碼算法簡單、高測 量效率、高測量精度的高幀率運動物體三維測量方法。
[0004] 本發明的技術解決方案是，提供一種包括以下順序步驟的高幀率運動物體三維測 量方法：
[0005] 步驟一、同步獲取高幀率投影和圖像：采用基于DMD技術的快速、可編程圖像模式 技術，將高幀率視覺與高幀率投影引入到運動物體三維測量中，可以達到上千幀的編碼結 構光圖像投影與獲取；
[0006] 步驟二、運用連續編解碼算法對格雷碼進行編解碼：采用一種類流水線處理的編 解碼方法，在連續投影與圖像獲取過程中，每獲取一幀投影圖像，即可對被測物體進行編解 碼；
[0007] 步驟三、進行基于格雷碼的運動補償算法：通過已知物體運動速度或基于物體運 動估計獲取物體在被測水平面內的運動速度信息，通過偏差估計補償，得到更加精確的三 維測量結果，實現掃描效率與掃描精度的平衡。
[0008] 本發明所述的一種高幀率運動物體三維測量方法，其中，步驟一中所述的同步獲 取高幀率投影和圖像是指使用高速DLP投影儀以高幀率投影編碼圖像，與之保持同步的高 速工業相機通過信號同步模塊的信號轉換而同時獲取投影圖像，縮小投影與圖像獲取時間 間隔。
[0009] 本發明所述的一種高幀率運動物體三維測量方法，其中，步驟二中所述的運用連 續編解碼算法對格雷碼進行編解碼是指以六幅編碼圖像為例，編碼順序是G iGwGit2Git3G i+4Gi+5，下一次再次編碼是Gi+6Gi+7G i+8Gi+9Gi+1QGi+11，如果投影幀率為K，那么編碼頻率為K/6， 只需要相鄰六幀圖像即可完成一次編解碼操作，即連續兩次編碼為GiGwGit2G it3GwGiP Gi+6Gi+1G i+2Gi+3Gi+4Gi+5，編碼頻率可達到 Κ。
[0010] 本發明所述的一種高幀率運動物體三維測量方法，其中，步驟三中所述的進行基 于格雷碼的運動補償算法是指首先在時刻t 2設定物體上某一點坐標點（X，y)，接著根據物 體運動速度信息Vx，Vy預測出上一時刻t i位于坐標點（X-V χ · Δ t，y_vy · Δ t)，其中Δ t =
[0011] 此時若物體運動速度Vx、Vy已知，則可以直接利用運動補償算法獲取精確編碼值；
[0012] 如運動速度vx、Vy未知，則運動速度V x、Vy估計算法按照以下流程進行：
[0013] ①在k時刻，獲取投影儀圖像I (X，Y，k)，
[0014] ②經過圖像二值化處理，獲取二值化圖像G (X，Y，k)，
[0015] ③經過編碼圖像生成步驟，得到編碼圖像C(X，Y，k)，
[0016] ④經過深度圖像求解步驟，得到系統深度圖像D (X，Y，k);
[0017] ⑤設定深度閾值θ R，將運動物體提取出來，得到運動區域圖像Q(X，Y，k)，其中
【主權項】
1. 一種高幀率運動物體三維測量方法，其特在在于：該測量方法包括以下順序步驟： 步驟一、同步獲取高幀率投影和圖像：采用基于DMD技術的快速、可編程圖像模式技 術，將高幀率視覺與高幀率投影引入到運動物體三維測量中，可以達到上千幀的編碼結構 光圖像投影與獲取； 步驟二、運用連續編解碼算法對格雷碼進行編解碼：采用一種類流水線處理的編解碼 方法，在連續投影與圖像獲取過程中，每獲取一幀投影圖像，即可對被測物體進行編解碼； 步驟三、進行基于格雷碼的運動補償算法：通過已知物體運動速度或基于物體運動估 計獲取物體在被測水平面內的運動速度信息，通過偏差估計補償，得到更加精確的三維測 量結果，實現掃描效率與掃描精度的平衡。
2. 根據權利要求1所述的一種高幀率運動物體三維測量方法，其特征在于：步驟一中 所述的同步獲取高幀率投影和圖像是指使用高速DLP投影儀（5)以高幀率投影編碼圖像， 與之保持同步的高速工業相機（6)通過信號同步模塊（7)的信號轉換而同時獲取投影圖 像，縮小投影與圖像獲取時間間隔。
3. 根據權利要求1所述的一種高幀率運動物體三維測量方法，其特征在于：步驟二中 所述的運用連續編解碼算法對格雷碼進行編解碼是指以六幅編碼圖像為例，編碼順序是G A +1Gi+2Gi+3Gi+4Gi+5，下一次再次編碼是G i+6Gi+7Gi+8Gi+9Gi+1QG i+11，如果投影幀率為K，那么編碼頻 率為K/6,只需要相鄰六幀圖像即可完成一次編解碼操作，即連續兩次編碼為G iGwGit2Git3Gi +4Gi+5、Gi+6Gi+1Gi+2G i+3Gi+4Gi+5，編碼頻率可達到 K。
4. 根據權利要求1所述的一種高幀率運動物體三維測量方法，其特征在于：步驟三 中所述的進行基于格雷碼的運動補償算法是指首先在時刻〖 2設定物體上某一點坐標點 (X，y)，接著根據物體運動速度信息Vx，Vy預測出上一時刻t i位于坐標點（X-V x · Δ t， y-vy · Δ t)，其中 Δ t = 此時若物體運動速度νχ、Vy已知，則可以直接利用運動補償算法獲取精確編碼值； 如運動速度vx、Vy未知，則運動速度V x、Vy估計算法按照以下流程進行： ① 在k時刻，獲取投影儀圖像I (X，Y，k)， ② 經過圖像二值化處理，獲取二值化圖像G (X，Y，k)， ③ 經過編碼圖像生成步驟，得到編碼圖像C(X，Y，k)， ④ 經過深度圖像求解步驟，得到系統深度圖像D (X，Y，k); ⑤ 設定深度閾值θκ，將運動物體提取出來，得到運動區域圖像Q(X，Y，k)，其中
其中，DK(X，Y)為沒有物體時的參考平面深度圖像，運動目標深度圖像D' (X，Y，k)= Q(X，Y，k) *D(X，Y，k)，對目標深度圖像求取矩特征， M0 (k) = Xx>YQ(X, Y, k) (2) Mx(k) = Σχ，γΧ · Q(X，Y，k) (3) MY(k) = Σχ，γΥ · Q(X，Y，k) (4) 根據公式（1)、（2)、（3)及（4)可得到運動速度'、vy的信息
其中，τ為圖像獲取時間間隔，JiCfe) =Mx(Ii)ZAie(Ii), = 由此得 到的運動速度信息將用于下一時刻的運動補償算法。
【專利摘要】本發明公開了一種高幀率運動物體三維測量方法，該方法包括同步獲取高幀率投影和圖像、運用連續編解碼算法對格雷碼進行編解碼以及進行基于格雷碼的運動補償算法三個步驟，采用基于DMD技術的快速、可編程圖像模式技術，將高幀率視覺與高幀率投影引入到運動物體三維測量中，達到上千幀的編碼結構光圖像投影與獲取，在連續投影與圖像獲取過程中，每獲取一幀投影圖像即可對被測物體進行編解碼，最后通過已知物體運動速度或基于物體運動估計獲取物體在被測水平面內的運動速度信息，運行偏差估計補償算法。本發明克服了標準幀率意義上格雷碼編碼結構光不能用于運動物體三維測量的限制，具備運動偏差補償功能，大大提高了連續三維測量的效率和精度。
【IPC分類】G01B11-00
【公開號】CN104833307
【申請號】CN201510175021
【發明人】劉永久, 李季棟, 靳業, 劉小楠, 劉昌進, 吳銳, 李林, 付新立, 李鵬, 李哲, 聶建華, 竇曼莉, 沈炎鑫, 甘彤, 謝文明, 郭玉良
【申請人】中國電子科技集團公司第三十八研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月14日