【摘要】 一种三维扫描系统中基于彩色光栅投影的快速三维测量方法，选用绿、黄、青、白四种纯色根据格雷码原理进行彩色条纹编码，这四种纯色的G分量值均为255，R、B分量分别为0或255。完成颜色编码后将条纹颜色中G分量做正弦调制最终得到投影光栅。其中对G分量信息用基于傅里叶变换的方法解得折叠相位值；另一方面，基于投影光栅的特点，彩色图像分割环节，仅对图像的R、B分量做迭代阈值法进行二值化，G分量自动赋值为255。通过对分割图解码可获得相位周期信息从而展开相位。该方法能很好地避免因为G分量正弦调制而造成图像周期性出现明暗带状区域给分割带来的不便，在不影响测量精度的前提下，为实现三维动态测量提供了思路。 【专利类型】发明申请 【申请人】东南大学 【申请人类型】学校 【申请人地址】210096 江苏省南京市四牌楼2号 【申请人地区】中国 【申请人城市】南京市 【申请人区县】玄武区 【申请号】CN201010272458.4 【申请日】2010-09-03 【申请年份】2010 【公开公告号】CN101975558A 【公开公告日】2011-02-16 【公开公告年份】2011 【授权公告号】CN101975558B 【授权公告日】2012-04-11 【授权公告年份】2012.0 【IPC分类号】G01B11/24; G02B5/18 【发明人】达飞鹏; 王露阳 【主权项内容】1.一种基于彩色光栅投影的快速三维测量方法，其特征在于利用了彩色图像的R、G、B三个颜色分量，R、B分量信息用于记录条纹颜色，G分量信息用于获取折叠相位，具体操作步骤如下： 步骤1：设计彩色投影光栅； 步骤1.1：列出用于编码的四种纯色：采用对24位真彩图像三个分量R、G、B分别赋值实现，24位真彩图像的R、G、B分量分别是8位，有256个灰阶，把每个分量只取0和255两个值，并将灰阶为255时记为1，灰阶为0时记为0，这样R、G、B分量的取值分别为0或1，选取R分量为1或0，选取G分量为1，选取B分量为1或0，并由此组成绿色(010)、青色(011)、白色(111)、黄色(110)四色进行编码， 步骤1.2：选择彩色条纹的数目，并对每条彩色条纹进行编号：选择彩色条纹的数目为32条，对绿色(010)条纹、青色(011)条纹、黄色(110)条纹、白色(111)条纹进行编号，并依次记为a、b、c、d， 步骤1.3：确定编码周期，并列出长度为此编码周期的所有可能的彩色条纹编码组合：以4个彩色条纹为编码周期，根据步骤1.2中设定的编号，满足格雷编码且编码周期为4个彩色条纹的所有可能的彩色条纹编码组合si的集合s为： s＝{abad，dbca，cbcb，badc，bcad，bcbd，adcb，cadb，cbdb，dcba，adbd，bdba，cbac，dbda，dbab，bacd，bdac，acdb，dacb，cdbc，acbc，abcd，cdab，abdc，dcab，bcda，dabd，bdca，caba} 其中，i为满足格雷编码且编码周期为4个彩色条纹的所有可能的彩色条纹编码组合数目((1≤i≤32)，s1＝abad表示一个长度为四个条纹周期的编码周期，第一个条纹周期位置处的条纹为a，第二个条纹周期位置处的条纹为b，第三个条纹周期位置处的条纹为a，第四个条纹周期位置处的条纹为d，s2＝dbca表示一个长度为四个条纹周期的编码周期，第一个条纹周期位置处的条纹为d，第二个条纹周期位置处的条纹为b，第三个条纹周期位置处的条纹为c，第四个条纹周期位置处的条纹为a，s3＝cbcb表示一个长度为四个条纹周期的编码周期，第一个条纹周期位置处的条纹为c，第二个条纹周期位置处的条纹为b，第三个条纹周期位置处的条纹为c，第四个条纹周期位置处的条纹为b，以此类推可知其余彩色条纹编码组合的情况，然后设立空序列Io， 步骤1.4：确定各个编码周期的彩色条纹编码： 步骤1.4.1：将步骤1.3中列出的所有可能的彩色条纹编码组合的集合s作为待选区，从s中任意选择一个编码周期si作为起始编码周期，这里令si＝abcd，并将abcd依序列入Io，并将si从s中删除，s集合中剩余元素形成选择下一个编码周期的待选区sr， 步骤1.4.2：取si的后3个单位量作为sj(1≤j≤32，j≠i)的前3个元素并以此为条件，从sr中寻找满足条件的sj，将sj的最后一个元素补入Io，令si＝sj，并从sr中删除sj，更新sr的内容为删除sj后集合中剩余元素形成的选择下一个编码周期的待选区， 步骤1.4.3：重复步骤1.4.2至sr为空，即可完全建立Io，按上述编码方法可得彩色编码条纹序列为： a?b?c?d?a?b?d?c?a?b?a?d?c?b?a?c?d?b?c?a?d?b?d?a?d?b?c?b?d?b?a?b 步骤1.5：对设计完成的四色码条纹序列中G分量信息依据公式(1)做正弦调制最终得到彩色投影光栅， 式中，f(t)为根据彩色编码条纹图像中G分量在单个条纹宽度内位于横向第x个像素点的灰度值，w为条纹宽度，宽度值为16个像素，t取值在0～w之间， 步骤2：彩色投影光栅包含32个周期的条纹，满足测量需要，通过计算机生成此彩色投影光栅，经Optoma?EP737型投影仪向被测物体投影彩色投影光栅，并用摄像机取回彩色光栅变形图， 步骤3：对采集到彩色光栅变形图进行处理，计算得到折叠相位、通过图像分割和解码的环节得到相位周期信息： 步骤3.1：把图中G分量信息单独分离出来，即单独读取彩色光栅变形图中G分量信息得到整幅图每处G分量对应的一个灰度值，用G分量表示的彩色光栅变形图光强表达式如下： 上式中，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为调制光强，I(x，y)为彩色光栅变形图中G分量在(x，y)位置处的光强，ρ为彩色投影光栅中的单个彩色条纹周期， 为待测彩色光栅变形图的折叠相位值， 由欧拉公式原理，式(2)可改写为如下形式： I(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(2πjf0x)+c*(x，y)exp(-2πjf0x)????(3) 其中， c*(x，y)为c(x，y)的共轭复数，j为虚数单位，f0为投影光栅在参考面上未变形条纹的空间频率， 对(3)中所示的一维光强信号I(x，y)沿着正x方向进行一维傅里叶变换，可得， F[I(x，y)]＝A(f，y)+C(f-f0，y)+C*(f+f0，y)????(5) 式中F[I(x，y)]，A(f，y)，C(f-f0，y)，C*(f+f0，y)分别表示I(x，y)，c(x，y)，c*(x，y)对应频域中的傅里叶频谱，然后滤波提取含有相位信息的基频分量C(f-f0，y)，通过基频分量做逆傅里叶变换得到c(x，y)exp(2πjf0x)，得到彩色光栅变形图的折叠相位图，折叠相位值为 这里解得的 变化范围为0～2π，即每经历一个2π的变化发生一次周期跳变， 步骤3.2：对步骤2中的彩色光栅变形图进行彩色分割： 采用阈值迭代法对彩色光栅变形图中的R、B分量进行分割，G分量自动赋值为255，综合R、G、B三个分量的颜色信息后即得到彩色分割图。彩色分割完成后，利用基于区域的滤波方法去噪，即经过彩色分割而二值化后的各像素，R、G、B三个分量的值均为0或者255，针对图像分割过程中发生误判的像素进行修正，所述修正方法为：假设误判像素的K分量被误判，这里K＝R、G或B，对误判像素的R、G、B三个分量分别进行纵向，判断在纵向 像素范围内是否有像素K分量值与本像素K分量值不同，如果有，则矫正本像素K分量，这个范围一般取为15到30个像素之间，最后得到改善后的彩色分割图， 步骤3.3：解码： 对步骤3.2中得到的改善后的彩色分割图进行解码： 步骤3.3.1：数据预处理。首先建立一个标志数组，其元素数与改善后的彩色分割图中像素数相等，即数组的每个元素都与图像中相应位置的像素对应。将图像中出现的四种颜色白色、黄色、青色、白色编号为1、2、3、4，标志数组中存储的就是改善后的彩色图像分割图中对应位置像素的颜色编号， 步骤3.3.2：对标志数组进行遍历，把其中的分量分组为背景部分和有用条纹信息部分，以减少需要处理的数据量， 步骤3.3.3：得出改善后的彩色分割图中各行各像素对应彩色条纹的位置编码： ①从左到右遍历改善后的彩色分割图中的各行像素，标志出各条纹的边界，并根据彩色光栅变形图的折叠相位图中边界跳变信息对改善后的彩色分割图像中的条纹边界加以修正， ②判断出改善后的彩色分割图中各条纹的位置编码：从左到右依次取出各个编码周期的条纹，即每次取出相邻的四个条纹，将其排列顺序与用于投影的彩色编码条纹中的条纹序列进行对比，由于相邻四个条纹的组合都是唯一的，当找到匹配的组合时，就能确定取出的四个条纹的位置编码。同理确定该行所有条纹的位置编码， ③用各像素所属条纹的位置编码取代标志数组中的颜色编号：只要该位置像素不属于背景部分，则把对应位置的元素值换成该像素所属条纹的位置编号即对应于彩色光栅变形图中携带的相位周期信息， 步骤4：折叠相位的展开：将经过步骤3.1和步骤3.2中得到的对应于彩色光栅变形图中携带的相位周期信息结合步骤3.1中得到的折叠相位信息，依据如下公式对相位展开得到最终相位φ(x，y)： 这里，n为条纹位置编号，即相位的周期信息， 为折叠相位， 步骤5：读取最终相位图像中各像素点对应的最终相位值，依据经典光栅投影测量系统原理可求得被测物体的高度信息，从而实现三维信息的获取。 【当前权利人】江苏威尔曼科技股份有限公司; 东南大学 【当前专利权人地址】江苏省南通市海安县海安镇江海西路158号; 江苏省南京市玄武区四牌楼2号 【统一社会信用代码】12100000466006770Q 【引证次数】5.0 【被引证次数】54 【自引次数】1.0 【他引次数】4.0 【被自引次数】2.0 【被他引次数】52.0 【家族引证次数】5.0 【家族被引证次数】54

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