论文部分内容阅读
摘 要：编码技术是决定结构光三维测量准确度的关键因素，时间编码方法由于具有采样密度高、测量准确度高的优点，广泛应用于多个领域，近些年成为研究热点，提出了一些相应技术并进行了深入的研究。系统地评述了时间编码方法近二十年的国内外研究现状与进展，并总结了目前基于计算机视觉的时间编码三维测量技术存在的主要问题以及今后的发展趋势。
关键词：计算机视觉；三维测量；结构光；时间编码；相位解包裹
基于计算机视觉的非接触三维测量技术，以图形、图像为基础来恢复三维形状，具有高速高效、高度自动化、成本低廉等优点。在要求自动、在线、快速的现代工业三维测量技术中，计算机视觉三维测量技术是最为重要的发展方向。
近年来，结构光三维测量技术有了了长足的进步，取得了较多的研究成果。按照光投射图案的不同，可以分为点、线和编码结构光法。其中，点、线结构光法存在测量效率低的缺点；而编码结构光法极大地提高了测量效率，是计算机视觉三维测量技术的发展方向，但其测量准确度和分辨力有所降低。
结构光编码法分为空间编码和时间编码，空间编码具有投射图案幅数少的优点，适用于动态测量，其缺点是解码困难，测量误差增大，存在分辨率较低。时间编码方法将多个不同的编码图案按时序投射，将对应的编码图像序列组合起来进行解码，具有采样密度高、测量准确度高的优点，成为最具实用性的计算机视觉三维测量方法，但其不适用于动态测量。本文将对时间编码技术的国内外研究现状和发展趋势进行总结分析。
1 系统结构
基于计算机视觉的结构光三维测量系统，包括投影单元、图像获取单元以及数据处理分析单元。具体测量过程为：a.计算机1产生编码图案（通常是正弦条纹图案）并控制投影仪依次将编码图案投射到被测物表面上；b.计算机2控制数码相机采集由于被测物表面调制而改变形状的编码图像；c.通过分析编码图案计算包裹相位；d.采用一种适当的相位解包裹方法得到连续相位分布，这种连续相位是与被测物表面的高度变化成正比的；e. 根据数码相机和投影仪之间的位置姿态参数通过标定方法获得被测物表面的三维信息。基于计算机视觉的结构光三维测量系统的工作流程如图1所示。
2 时间编码方法
2.1 数字码
2.1.1 二进制码
二进制码是较早采用的时间编码方法，投射m幅编码图案形成2m个编码值，可将被测空间划分为2m个区域。该方法要求测量过程中测量系统和被测物位置不能有相对变化。Posdamer和Altschuler首先利用2m个简单的二进制条纹进行编码，编码图案如图2所示。
为了提高二进制编码结构光法的抗干扰能力，Minou在原来基础上发展了分时平行条纹编码技术，利用二进制码和海明纠错码结合编码，该编码具有25条编码条纹，二进制编码长度和纠错码长度分别为5和9，主要应用于深度抗噪检测系统。为减小二进制编码结构光法三维测量系统的测量误差，Trobina提出了二进制编码结构光三维测量系统的误差模型，并论证了图像中条纹的准确定位是降低误差的关键，同时也提出了两种利用亚像素技术来准确定位黑白条纹边缘的检测方法。Valkenburg和Mclvor进一步研究了二进制码条纹准确定位的方法。每幅采集的强度图像被分成17 17像素的区域，并用一个二元三次多项式对每个区域进行插值，实验结果表明，该方法对提高条纹定位准确度有所帮助。为减小被测表面反射率不一致、曲率不一致、颜色不一致以及环境光对二进制编码结构光法三维测量系统的影响，Skocaj和Leonardis提出通过增加不同照度的投射图案来克服上述局限。
准确度有很大的影响，该方法只适用于表面颜色单一的物体的测量。
2.1.2 多值码
在二进制码的基础上，通过增加灰度级数量的方法进行编码可减少投射图案数量，提高编码效率。关于多值码较有代表性的研究是Horn和Kiryati提出的一种灰度多值编码方法，用Hillbert或Peano空间填充曲线来进行编码，在特定噪声条件下找到一组灰度级最少的编码方案。实验表明该方法在较少的投射图案数量下获得了较高的准确度。相对于格雷码，多值码具有类似于二进制码缺点，即解码时若码值误判存在于高位则带来较大的解码误差。
2.2 相移法
相移法是基于物体深度变化对入射光波相位调制的一种三维测量方法。相移法测量作为一种高精度测量技术，被广泛应用于许多科学研究和工程领域的精密测量中，其突出的优点是能够测量被测表面不规则的物体。相移法发展非常迅速，在三维测量中具有一定的优势。
Grevenkamp提出了一种简单的三步相移方法来进行三维测量，投射图案是三幅相移120°的正弦条纹。该方法的优点是采样密度高，分辨率高，测量精度高，由于该方法在相位计算阶段涉及到一个耗时的反正切函数，所以处理速度比较慢。Song Zhang， Shing-Tung Yau还开发出基于2+1相移方法的可以测量动态对象的实时、三维测量系统，该方法是基于三步正弦相移方法，为了减少由运动引起的错误，把第三幅图像换成相移为90°的图像。该方法的特点是处理速度快，准确度高。Jiahui Pan等提出一种彩色相移方法，三幅正弦条纹图案分别包含在RGB颜色通道中从而形成一幅彩色条纹图案。该方法能够在一幅编码图案中承载更多的信息量，与传统三步正弦相移相比具有编码图案数量少、测量效率高的优点，但其不适用于测量表面颜色丰富的被测物，而且颜色通道之间的颜色耦合问题也会导致测量结果出现较大误差，测量准确度较低。
上述条纹测量方法在实际测量过程中存在一个共性问题，那就是获取的条纹图像是非正弦的（当使用正弦相移法时）或者不是线性分布的（当使用梯形相移法或者三角形相移法时），条纹图像中存在谐波，这将导致不可忽略的测量误差。这主要是由投影仪的伽马非线性和CCD照相机的非线性引起的，目前该问题已经引起了许多国内外研究人员的重视。
3 结论
基于计算机视觉的三维测量技术是三维测量领域的重点发展方向，其中，结构光方法被公认为最具实用性和发展潜力。就编码结构光而言，时间编码方法具有高准确度和高采样密度的优点，成为目前的研究热点。提高抗干扰能力和更加准确地相位解包裹是时间编码方法今后的发展趋势。虽然时间编码技术已经取得了长足的进步并应用于不同的领域，但仍存在一些问题需要在今后的工作中加以解决。a.由投影仪的伽马非线性和CCD照相机的非线性引起的条纹图像中存在谐波的问题；b.采用彩色条纹测量方法时存在的颜色通道之间的颜色耦合问题；c.在重构表面上进一步重现被测表面的颜色信息，使三维测量装置的用途扩展到需要恢复颜色信息的场合。
关键词：计算机视觉；三维测量；结构光；时间编码；相位解包裹
基于计算机视觉的非接触三维测量技术，以图形、图像为基础来恢复三维形状，具有高速高效、高度自动化、成本低廉等优点。在要求自动、在线、快速的现代工业三维测量技术中，计算机视觉三维测量技术是最为重要的发展方向。
近年来，结构光三维测量技术有了了长足的进步，取得了较多的研究成果。按照光投射图案的不同，可以分为点、线和编码结构光法。其中，点、线结构光法存在测量效率低的缺点；而编码结构光法极大地提高了测量效率，是计算机视觉三维测量技术的发展方向，但其测量准确度和分辨力有所降低。
结构光编码法分为空间编码和时间编码，空间编码具有投射图案幅数少的优点，适用于动态测量，其缺点是解码困难，测量误差增大，存在分辨率较低。时间编码方法将多个不同的编码图案按时序投射，将对应的编码图像序列组合起来进行解码，具有采样密度高、测量准确度高的优点，成为最具实用性的计算机视觉三维测量方法，但其不适用于动态测量。本文将对时间编码技术的国内外研究现状和发展趋势进行总结分析。
1 系统结构
基于计算机视觉的结构光三维测量系统，包括投影单元、图像获取单元以及数据处理分析单元。具体测量过程为：a.计算机1产生编码图案（通常是正弦条纹图案）并控制投影仪依次将编码图案投射到被测物表面上；b.计算机2控制数码相机采集由于被测物表面调制而改变形状的编码图像；c.通过分析编码图案计算包裹相位；d.采用一种适当的相位解包裹方法得到连续相位分布，这种连续相位是与被测物表面的高度变化成正比的；e. 根据数码相机和投影仪之间的位置姿态参数通过标定方法获得被测物表面的三维信息。基于计算机视觉的结构光三维测量系统的工作流程如图1所示。
2 时间编码方法
2.1 数字码
2.1.1 二进制码
二进制码是较早采用的时间编码方法，投射m幅编码图案形成2m个编码值，可将被测空间划分为2m个区域。该方法要求测量过程中测量系统和被测物位置不能有相对变化。Posdamer和Altschuler首先利用2m个简单的二进制条纹进行编码，编码图案如图2所示。
为了提高二进制编码结构光法的抗干扰能力，Minou在原来基础上发展了分时平行条纹编码技术，利用二进制码和海明纠错码结合编码，该编码具有25条编码条纹，二进制编码长度和纠错码长度分别为5和9，主要应用于深度抗噪检测系统。为减小二进制编码结构光法三维测量系统的测量误差，Trobina提出了二进制编码结构光三维测量系统的误差模型，并论证了图像中条纹的准确定位是降低误差的关键，同时也提出了两种利用亚像素技术来准确定位黑白条纹边缘的检测方法。Valkenburg和Mclvor进一步研究了二进制码条纹准确定位的方法。每幅采集的强度图像被分成17 17像素的区域，并用一个二元三次多项式对每个区域进行插值，实验结果表明，该方法对提高条纹定位准确度有所帮助。为减小被测表面反射率不一致、曲率不一致、颜色不一致以及环境光对二进制编码结构光法三维测量系统的影响，Skocaj和Leonardis提出通过增加不同照度的投射图案来克服上述局限。
准确度有很大的影响，该方法只适用于表面颜色单一的物体的测量。
2.1.2 多值码
在二进制码的基础上，通过增加灰度级数量的方法进行编码可减少投射图案数量，提高编码效率。关于多值码较有代表性的研究是Horn和Kiryati提出的一种灰度多值编码方法，用Hillbert或Peano空间填充曲线来进行编码，在特定噪声条件下找到一组灰度级最少的编码方案。实验表明该方法在较少的投射图案数量下获得了较高的准确度。相对于格雷码，多值码具有类似于二进制码缺点，即解码时若码值误判存在于高位则带来较大的解码误差。
2.2 相移法
相移法是基于物体深度变化对入射光波相位调制的一种三维测量方法。相移法测量作为一种高精度测量技术，被广泛应用于许多科学研究和工程领域的精密测量中，其突出的优点是能够测量被测表面不规则的物体。相移法发展非常迅速，在三维测量中具有一定的优势。
Grevenkamp提出了一种简单的三步相移方法来进行三维测量，投射图案是三幅相移120°的正弦条纹。该方法的优点是采样密度高，分辨率高，测量精度高，由于该方法在相位计算阶段涉及到一个耗时的反正切函数，所以处理速度比较慢。Song Zhang， Shing-Tung Yau还开发出基于2+1相移方法的可以测量动态对象的实时、三维测量系统，该方法是基于三步正弦相移方法，为了减少由运动引起的错误，把第三幅图像换成相移为90°的图像。该方法的特点是处理速度快，准确度高。Jiahui Pan等提出一种彩色相移方法，三幅正弦条纹图案分别包含在RGB颜色通道中从而形成一幅彩色条纹图案。该方法能够在一幅编码图案中承载更多的信息量，与传统三步正弦相移相比具有编码图案数量少、测量效率高的优点，但其不适用于测量表面颜色丰富的被测物，而且颜色通道之间的颜色耦合问题也会导致测量结果出现较大误差，测量准确度较低。
上述条纹测量方法在实际测量过程中存在一个共性问题，那就是获取的条纹图像是非正弦的（当使用正弦相移法时）或者不是线性分布的（当使用梯形相移法或者三角形相移法时），条纹图像中存在谐波，这将导致不可忽略的测量误差。这主要是由投影仪的伽马非线性和CCD照相机的非线性引起的，目前该问题已经引起了许多国内外研究人员的重视。
3 结论
基于计算机视觉的三维测量技术是三维测量领域的重点发展方向，其中，结构光方法被公认为最具实用性和发展潜力。就编码结构光而言，时间编码方法具有高准确度和高采样密度的优点，成为目前的研究热点。提高抗干扰能力和更加准确地相位解包裹是时间编码方法今后的发展趋势。虽然时间编码技术已经取得了长足的进步并应用于不同的领域，但仍存在一些问题需要在今后的工作中加以解决。a.由投影仪的伽马非线性和CCD照相机的非线性引起的条纹图像中存在谐波的问题；b.采用彩色条纹测量方法时存在的颜色通道之间的颜色耦合问题；c.在重构表面上进一步重现被测表面的颜色信息，使三维测量装置的用途扩展到需要恢复颜色信息的场合。