專利名稱：基于分層的彩色條紋編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維信息重構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其一種基于分層的彩色條紋編碼方法。
背景技術(shù)：
隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，彩色圖像出現(xiàn)的越來越多，而計算 機(jī)技術(shù)和處理速度的飛速發(fā)展也能夠滿足處理更為復(fù)雜的彩色圖像的需要，使彩 色圖像的處理變成可能。三維測量技術(shù)采用彩色圖像處理的方式不僅能重構(gòu)出彩 色的三維信息，而且由于彩色圖像比黑白圖像包含更多的信息，測量的精度也會 因此提高；同時彩色條紋編碼的光柵包含豐富的信息，可以減少采集圖像的數(shù)量， 更適合動態(tài)的三維測量，提高相位法的實時性。三維輪廓檢測及其重構(gòu)技術(shù)是計算機(jī)圖像處理技術(shù)的一個分支，是計算機(jī)視 覺和計算機(jī)圖形圖像處理相結(jié)合的一個研究方向，它在生產(chǎn)自動化、機(jī)器人視覺、 CAD、虛擬現(xiàn)實和醫(yī)學(xué)映像診斷等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。光柵投影法是實物逆向工程技術(shù)中的一種，具有檢測過程完全非接觸、數(shù)據(jù) 空間分辨率高、一次性瞬間投影直接實現(xiàn)三維空間物體形狀檢測和獲取三維信息 的特點。在實際應(yīng)用中具有對環(huán)境要求低、成本低廉、使用操作方便等多種優(yōu)點。早期的三維輪廓檢測及其重構(gòu)技術(shù)由于受到計算機(jī)處理速度的限制，人們剛 開始都是針對灰度圖像進(jìn)行處理的，現(xiàn)今十分成熟的分割算法大多也是針對單色 圖像的分割，即從單色圖像中提取出感興趣的目標(biāo)。當(dāng)灰度圖像有變化灰度的背 景或本身有較大灰度范圍的區(qū)域時,進(jìn)行視覺圖像的分割會非常困難。這是因為 對于單色圖像的分割來說明亮度是惟一的可用信息,故這種問題是灰度圖像本身 固有的。但是，由于灰度光柵條紋圖經(jīng)過閾值分割后是黑白二值的光柵條紋，需要設(shè) 計7幅逐步二分的投影光柵圖，才能唯一確定絕對相位，進(jìn)而進(jìn)行相位展開，非 常不利于動態(tài)測量。而彩色投影光柵圖包含更豐富的信息，可以減少采集圖像的數(shù) 量，理論上，利用一幅圖像就能唯一確定絕對相位，進(jìn)行相位展開，更適合動態(tài)的三維測量，提高相位法的實時性。但是彩色圖像由于顏色種類比較多，分割精度無法達(dá)到黑白圖像的精度，為了 確保彩色分割的精度，彩色條紋的寬度一般為16個像素以上，所以采用彩色編碼 存在精度不高的問題。設(shè)計彩色投影光柵圖主要有四個方面的問題 一、應(yīng)盡量減少圖像中顏色的種類，圖像中顏色越多，對后期彩色圖像分割越不利，并且各顏色之間的區(qū)分度也直接影響著彩色分割的精度。二、在使用相同顏色的前提下，盡量把物體分成多個區(qū)域，以提高精度。同時，為了擴(kuò)大測量范圍，應(yīng)使唯一的條紋序列周期盡量大。三、由于條紋寬度低于16個像素的彩色條紋的分割效果不好，所以在橫向不能在細(xì)化條紋，但是寬度為16個像素的彩色條紋還是無法滿足測量精度的要求，為了提高精度可以在縱向把條紋分成多層。四、為了唯一確定絕對相位，需要設(shè)計唯一的條紋序列，即彩色條紋編碼問題。在實現(xiàn)彩色條紋編碼時，需要考慮以下問題1) 由于太窄的彩色條紋進(jìn)行投影采集時會變得模糊，會加大找條紋的難度； 而太寬又會造成高度信息呈階梯狀分布，影響測量精度。根據(jù)實驗經(jīng)驗， 選取條紋寬度為16個像素，這樣既能使光柵投影清楚，又能有效的保存 物體高度調(diào)制的變形光柵信息。2) 如果條紋寬度少于16個像素會加大彩色條紋分割的困難，降低彩色分割 的精度，要想在不降低彩色分割精度同時提高測量精度可以采用分層您 的思想，把縱向空間劃分成更多的區(qū)域。3) 編碼組合序列必須唯一，這樣才能準(zhǔn)確確定彩色條紋所在的周期，進(jìn)而 進(jìn)行相位展開。4) 解碼序列應(yīng)該盡可能的短，才能減少由于條紋缺失造成的解碼誤差。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺點和限制，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高測 量精度和動態(tài)測量性能的三維掃描系統(tǒng)中基于分層的彩色條紋編碼的方法。 本發(fā)明設(shè)計一種基于分層的彩色條紋編碼的方法，此方法借助彩色圖像包含更多的信息，減少了采集圖像的數(shù)量；首先由于彩色條紋邊界容易模糊，所以要 設(shè)計一副與彩色條紋同等寬度黑白相間條紋投射到物體表面，以便提取高精度變形條紋邊界，從而計算得到各個條紋中心線，用于后續(xù)解碼；接著選擇要分的層 數(shù)，由于層數(shù)的增加會加大彩色分割的難度，所以在此實驗中選擇分為五層，每層 的寬度相同，圖像從上到下分別為第一層，，第三層，，第五層，然后一三五奇數(shù)層 采用環(huán)形排列的編碼方法生成彩色條紋，第二層和第四層分別采用第一固定序列和 第二固定序列的彩色條紋；選擇彩色條紋顏色及數(shù)目，選用八種純色，以提高顏色 區(qū)分度和擴(kuò)大測量范圍；接著對各層的紅色分量，綠色分量和藍(lán)色分量進(jìn)行設(shè)置， 得到了唯一的彩色條紋編碼。 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于分層的彩色條紋編碼的方法步驟1:在設(shè)計彩色條紋編碼時，采用對24位真彩圖像三個分量R、 G、 B 分別賦值實現(xiàn)，24位真彩圖像的R、 G、 B分量分別是8位，每個R、 G、 B分量 有256個灰階，每個分量的灰階取值為0或255,并將灰階255設(shè)為1，灰階0 設(shè)為0，這樣R、 G、 B分量的取值分別為0或1，這三個分量有8種組合且分別 代表八種純色黑色為000、藍(lán)色為001、綠色為010、青色為011、紅色為100、 品色為101、黃色為110、白色為lll，步驟2:分層的實現(xiàn)把整幅圖像從上到下，在縱向上平均的分為五層，從 上到下分別為稱為第一層，第二層，第三層，第四層，第五層，步驟3:分層彩色條紋的編碼用環(huán)形排列方法得到呈環(huán)形排列的彩色條紋， 選擇用環(huán)形排列方法得到的第一和第五個環(huán)形排列周期的彩色條紋順序排列在 第一層，選擇第四和第六個環(huán)形排列周期的彩色條紋順序排列在第三層，選擇第 二和第三個環(huán)形排列周期順序排列在第五層。第二層及第四層分別采用第一固定 序列的彩色條紋及第二固定序列的彩色條紋，所述的第一固定序列的彩色條紋由4 個相同且串接的第一排列周期的彩色條紋構(gòu)成，所述的第二固定序列的彩色條紋由 4個相同且串接的第二排列周期的彩色條紋構(gòu)成，選擇第一或第二排列周期的彩色 條紋的原則為相鄰兩個條紋的紅色分量、綠色分量和藍(lán)色分量中至少有兩個分量 不同，連續(xù)的三個條紋必須有兩個條紋的紅色分量、綠色分量和藍(lán)色分量均不同， 即互為補(bǔ)色，不會與奇數(shù)層的彩色條紋序列發(fā)生重合，存在比較大的色差，利于 后續(xù)分割；第一排列周期的彩色條紋里的任意連續(xù)的三個彩色條紋的排列順序與第 二排列周期的彩色條紋里的任意連續(xù)的三個彩色條紋的排列順序不同。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點我們設(shè)計的一種基于分層的彩色條紋編碼的方法，此方法借助彩色圖像包含 更多的信息，減少采集圖像的數(shù)量；由于受到彩色分割精度的影響，彩色條紋大 于16個像素才能得到比較精確的分割效果，從而無法把空間分成更多的區(qū)域， 所以選擇把圖像分成多個層次，就可以把圖像分成更多的區(qū)域，可以提高測量精度; 選擇彩色條紋顏色及數(shù)目，選用八種純色，以提高顏色區(qū)分度和擴(kuò)大測量范圍；奇 數(shù)層條紋的設(shè)置采用環(huán)形排列方法可以有效的降低解碼難度，偶數(shù)層采用相鄰最 大色差的的固定序列條紋，得到了序列周期唯一的彩色條紋編碼，同時采用最大 色差的組合也可以提高分割精度。如果物體表面有斷層出現(xiàn)了條紋缺失現(xiàn)象，也 可以根據(jù)偶數(shù)層的固定序列和奇數(shù)層的排列準(zhǔn)則快速判斷出缺失的條紋的編碼 值，避免造成條紋錯級現(xiàn)象。用此彩色條紋編碼設(shè)計投影光柵，編碼方法編程簡 單，其分層的思想在不用細(xì)化條紋的前提下把物體分成多個區(qū)域，大大提高了測 量精度。進(jìn)行三維掃描系統(tǒng)中后續(xù)的相位展開只需要驗證相鄰的兩條條紋及其上 方條紋的顏色就能定位條紋的絕對相位，加快了圖像處理速度，提高了三維掃描 系統(tǒng)中相位法的實時性和動態(tài)測量性能。


圖1是基于分層的彩色條紋編碼方法流程圖。 圖2是環(huán)形示意圖。圖3是環(huán)形排列法得到前兩組序列周期示意圖。圖4是環(huán)形排列法得到GB分量編碼序列圖。圖5是第一固定序列排列示意圖。圖6是第二固定序列排列示意圖。圖7是整幅圖像的彩色條紋排列示意圖。
具體實施方式
一種基于分層的彩色條紋編碼的方法步驟h在設(shè)計彩色條紋編碼時，采用對24位真彩圖像三個分量R、 G、 B 分別賦值實現(xiàn)，24位真彩圖像的R、 G、 B分量分別是8位，每個R、 G、 B分量有256個灰階，每個分量的灰階取值為0或255，并將灰階255設(shè)為1，灰階0 設(shè)為0，這樣R、 G、 B分量的取值分別為0或1，這三個分量有8種組合且分別 代表八種純色黑色為000、藍(lán)色為001、綠色為010、青色為011、紅色為100、 品色為101、黃色為110、白色為111，步驟2:分層的實現(xiàn)把整幅圖像從上到下，在縱向上平均的分為五層，從 上到下分別為稱為第一層，第二層，第三層，第四層，第五層，步驟3:分層彩色條紋的編碼用環(huán)形排列方法得到呈環(huán)形排列的彩色條紋， 選擇用環(huán)形排列方法得到的第一和第五個環(huán)形排列周期的彩色條紋順序排列在 第一層，選擇第四和第六個環(huán)形排列周期的彩色條紋順序排列在第三層，選擇第 二和第三個環(huán)形排列周期順序排列在第五層。第二層及第四層分別采用第一固定 序列的彩色條紋及第二固定序列的彩色條紋，所述的第一固定序列的彩色條紋由4 個相同且串接的第一排列周期的彩色條紋構(gòu)成，所述的第二固定序列的彩色條紋由 4個相同且串接的第二排列周期的彩色條紋構(gòu)成，選擇第一或第二排列周期的彩色條紋的原則為相鄰兩個條紋的紅色分量、綠色分量和藍(lán)色分量中至少有兩個分量 不同，連續(xù)的三個條紋必須有兩個條紋的紅色分量、綠色分量和藍(lán)色分量均不同， 即互為補(bǔ)色，不會與奇數(shù)層的彩色條紋序列發(fā)生重合，存在比較大的色差，利于后續(xù)分割；第一排列周期的彩色條紋里的任意連續(xù)的三個彩色條紋的排列順序與第 二排列周期的彩色條紋里的任意連續(xù)的三個彩色條紋的排列順序不同。下面結(jié)合附圖示對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步描述。根據(jù)上述方法，在 Windows操作系統(tǒng)中通過^++6.0平臺用<^++編程實現(xiàn)了基于分層的彩色編碼的 操作。針對由于受到彩色條紋分割效果限制，彩色條紋的寬度一般為16個像素以 上，彩色編碼精度不高的問題，我們提出了基于分層的彩色編碼方法，提高了測 量精度。首先我們先考慮彩色投影光柵圖存在的主要有四個方面的問題 一、應(yīng)盡量減 少圖像中顏色的種類，圖像中顏色越多，對后期彩色圖像分割越不利，并且各顏色 之間的區(qū)分度也直接影響著彩色分割的精度。二、在使用相同顏色的前提下，盡量 把物體分成多個區(qū)域，以提高精度。同時，為了擴(kuò)大測量范圍，應(yīng)使唯一的條紋序列周期盡量大。三、由于條紋寬度低于16個像素的彩色條紋的分割效果不好，所以在橫向不能在細(xì)化條紋，但是寬度為16個像素的彩色條紋還是無法滿足測量精度的要求，為了提高精度可以在縱向把條紋分成多層。四、為了唯一確定絕對相位，需要設(shè)計唯一的條紋序列，即彩色條紋編碼問題。 本發(fā)明流程圖如圖1所示，具體實現(xiàn)步驟如下步驟l:設(shè)計一幅與彩色條紋同等寬度黑白相間條紋在本實驗中選擇條紋 寬度為16個像素，在設(shè)計黑白條紋時，整幅條紋圖只采用黑白兩色，并且黑白 條紋的條紋寬度也為16個像素，步驟2:在設(shè)計彩色條紋編碼時，采用對24位真彩圖像三個分量R、 G、 B 分別賦值實現(xiàn)，24位真彩圖像的R、 G、 B分量分別是8位，有256個灰階，把 每個分量只取0和255兩個值，并將灰階255時為1，灰階0時為0，這樣R、 G、 B分量的取值分別為0或1，這三個分量有8種組合且分別代表八種純色黑色 為000、藍(lán)色為001、綠色為010、青色為Oll、紅色為100、品色為101、黃色 為110、白色為lll，步驟3:分層的實現(xiàn)把整幅圖像從上到下，在縱向上平均的分為五層，從 上到下分別為稱為第一層，第二層，第三層，第四層，第五層，步驟4:根據(jù)現(xiàn)有已知的環(huán)形排列方法得到環(huán)形排列周期，步驟4. 1:設(shè)置所有條紋的紅色分量紅色分量取值按照一個條紋周期像素 為0， 一個條紋周期像素為1交替分布，步驟4.2:對條紋的綠色分量和藍(lán)色分量進(jìn)行設(shè)置綠色分量和藍(lán)色分量的 二進(jìn)制組合狀態(tài)為00、 01、 lO或ll,對4種綠色分量和藍(lán)色分量的二進(jìn)制組合狀態(tài)進(jìn)行全排列，并將每個排列作為一個序列周期，得到24個序列周期，且 序列周期的寬度是條紋像素數(shù)的4倍，該序列周期的寬度為16X4 = 64，其中， 16為每條條紋的像素數(shù)，步驟4.3:用環(huán)形排列的方法設(shè)計第一環(huán)形排列周期將GB分量的二進(jìn)制 組合狀態(tài)OO、 01、 lO或ll，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)組合狀態(tài)0、 1、 2或3，從24個序列周期中，選擇4個序列周期，構(gòu)成第一環(huán)形排列周期，該選擇 方法為從24個序列周期中任意選取一種序列周期，然后讓該序列周期的四個 組合狀態(tài)首尾相連，構(gòu)成環(huán)狀如圖2所示，接著，采用順時針或逆時針環(huán)形取值 的方式對彩色條紋進(jìn)行編碼，該環(huán)形取值方法是先選序列周期的第一個組合狀 態(tài)為起始值，作為第一序列周期的第一個條紋的GB值，然后沿順時針或逆時針8方向取下一個數(shù)字為第一序列周期的第二個條紋的GB值，依此類推，直到取得 第四個數(shù)字為第一序列周期的第四個條紋的GB值為止，得到第一序列周期；然 后，再以第一序列周期的第二個條紋的GB值為起始值，沿順時針或逆時針方向 依次取四個數(shù)字，作為第二序列周期的四個條紋的GB值，得到第二序列周期； 依此類推，以第一序列周期的第三個條紋的GB值為起始，得到第三序列周期， 以第一序列周期的第四個條紋的GB值為起始，得到第四序列周期，得到了第一 環(huán)形排列周期，步驟4.4:設(shè)計第二環(huán)形排列周期從剩余的序列周期中，選擇4個序列周 期，構(gòu)成第二環(huán)形排列周期，該第二環(huán)形排列周期選擇方法為從剩余的序列周 期中先選取一個序列周期且該序列周期滿足該序列周期的第一個組合狀態(tài)與上一環(huán)形排列周期的第四序列周期的第四個條紋的GB值相同，然后讓該序列周期的四個組合狀態(tài)首尾相連，構(gòu)成環(huán)狀，接著，采用順時針或逆時針環(huán)形取值的方式對彩色條紋進(jìn)行編碼，環(huán)形取值方法與步驟4. 3中的相 同，得到第二環(huán)形排列周期，步驟6:設(shè)計其他環(huán)形排列周期再從上一環(huán)形排列周期選擇后剩余的序列周期中，選擇4個序列周期，構(gòu)成當(dāng)前環(huán)形排列周期，使用步驟5中的第二環(huán)形排列周期選擇方法，先選取一個序列周期，然后讓該首先選出的序列周期的四個 組合狀態(tài)首尾相連，構(gòu)成環(huán)狀，接著，采用順時針或逆時針環(huán)形取值的方式對彩色條紋進(jìn)行編碼，用步驟4.3中環(huán)形取值方法依次得到第一到第四序列周期，得 到第三環(huán)形排列周期，依此類推，直到得到第六環(huán)形排列周期為止，最終得到序 列周期唯一的彩色條紋編碼。得到的所有的環(huán)形排列周期如圖4所示，步驟5:用環(huán)形排列方法得到呈環(huán)形排列的彩色條紋，選擇用環(huán)形排列方法得到的第一和第五個環(huán)形排列周期的彩色條紋順序排列在第一層，選擇第四和第 六個環(huán)形排列周期的彩色條紋順序排列在第三層，選擇第二和第三個環(huán)形排列周 期順序排列在第五層。步驟6:第二層及第四層分別采用第一固定序列的彩色條紋及第二固定序列的 彩色條紋，所述的第一固定序列的彩色條紋由4個相同且串接的第一排列周期的彩 色條紋構(gòu)成，所述的第二固定序列的彩色條紋由4個相同且串接的第二排列周期的彩色條紋構(gòu)成，選擇第一或第二排列周期的彩色條紋的原則為相鄰兩個條紋的紅色 分量、綠色分量和藍(lán)色分量中至少有兩個分量不同，連續(xù)的三個條紋必須有兩個條紋的紅色分量、綠色分量和藍(lán)色分量均不同，即互為補(bǔ)色，不會與奇數(shù)層的 彩色條紋序列發(fā)生重合，存在比較大的色差，利于后續(xù)分割；第一排列周期的彩 色條紋里的任意連續(xù)的三個彩色條紋的排列順序與第二排列周期的彩色條紋里的任 意連續(xù)的三個彩色條紋的排列順序不同。
權(quán)利要求
1.一種基于分層的彩色條紋編碼的方法，其特征在于步驟1在設(shè)計彩色條紋編碼時，采用對24位真彩圖像三個分量R、G、B分別賦值實現(xiàn)，24位真彩圖像的R、G、B分量分別是8位，每個R、G、B分量有256個灰階，每個分量的灰階取值為0或255，并將灰階255設(shè)為1，灰階0設(shè)為0，這樣R、G、B分量的取值分別為0或1，這三個分量有8種組合且分別代表八種純色黑色為000、藍(lán)色為001、綠色為010、青色為011、紅色為100、品色為101、黃色為110、白色為111，步驟2分層的實現(xiàn)把整幅圖像從上到下，在縱向上平均的分為五層，從上到下分別為稱為第一層，第二層，第三層，第四層，第五層，步驟3分層彩色條紋的編碼用環(huán)形排列方法得到呈環(huán)形排列的彩色條紋，選擇用環(huán)形排列方法得到的第一和第五個環(huán)形排列周期的彩色條紋順序排列在第一層，選擇第四和第六個環(huán)形排列周期的彩色條紋順序排列在第三層，選擇第二和第三個環(huán)形排列周期順序排列在第五層。第二層及第四層分別采用第一固定序列的彩色條紋及第二固定序列的彩色條紋，所述的第一固定序列的彩色條紋由4個相同且串接的第一排列周期的彩色條紋構(gòu)成，所述的第二固定序列的彩色條紋由4個相同且串接的第二排列周期的彩色條紋構(gòu)成，選擇第一或第二排列周期的彩色條紋的原則為相鄰兩個條紋的紅色分量、綠色分量和藍(lán)色分量中至少有兩個分量不同，連續(xù)的三個條紋必須有兩個條紋的紅色分量、綠色分量和藍(lán)色分量均不同，即互為補(bǔ)色，不會與奇數(shù)層的彩色條紋序列發(fā)生重合，存在比較大的色差，利于后續(xù)分割；第一排列周期的彩色條紋里的任意連續(xù)的三個彩色條紋的排列順序與第二排列周期的彩色條紋里的任意連續(xù)的三個彩色條紋的排列順序不同。
全文摘要
一種基于分層的彩色條紋編碼的方法，由于受到彩色分割精度的影響，彩色條紋大于16個像素才能得到比較精確的分割效果，從而無法把空間分成更多的區(qū)域，所以選擇把圖像分成多個層次，就可以把圖像分成更多的區(qū)域，可以提高測量精度；選擇彩色條紋顏色及數(shù)目，選用八種純色，以提高顏色區(qū)分度和擴(kuò)大測量范圍；奇數(shù)層條紋的設(shè)置采用環(huán)形排列方法可以有效的降低解碼難度，偶數(shù)層采用相鄰最大色差的第一及第二固定序列條紋，得到了序列周期唯一的彩色條紋編碼。用此彩色條紋編碼設(shè)計投影光柵，編碼方法編程簡單，其分層的思想在不用細(xì)化條紋的前提下把物體分成多個區(qū)域，提高了測量精度。提高了三維掃描系統(tǒng)中相位法的實時性和動態(tài)測量性能。
文檔編號G01B11/24GK101324425SQ20081009887
公開日2008年12月17日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者傅有成, 達(dá)飛鵬, 馬倩倩 申請人:東南大學(xué)