專利名稱：一種通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)三維物體重建和輔助自動(dòng)測(cè)量。
背景技術(shù)：
機(jī)構(gòu)光被廣泛地運(yùn)用于計(jì)算機(jī)三維物體重建和輔助自動(dòng)測(cè)量中。它可以解決圖像之間像素點(diǎn)的匹配難題。在利用結(jié)構(gòu)光的技術(shù)中，很重要的一步就是如何精確提取出光柵線。這一步影響著重建和測(cè)量方法的精確度和魯棒性。
光柵線提取的主要難點(diǎn)在于以下三點(diǎn)。1)如何從圖像中提取出光柵線。由于場(chǎng)景可能很復(fù)雜，圖像中的光柵線可能很不明顯或者光柵線和物體本身的紋理線不好區(qū)分。2)光柵線的匹配。由于場(chǎng)景深度的突變和遮擋，本來(lái)連續(xù)的光柵線投影到場(chǎng)景中后會(huì)發(fā)生斷裂。而在很多的應(yīng)用中，我們必須要知道哪些斷開(kāi)獨(dú)立的光柵線是由同一條連續(xù)的光柵線投影而來(lái)。這就是匹配問(wèn)題。3)虛假光柵線。由于場(chǎng)景深度突變，物體的輪廓線也可能成為不同光柵條的分界線而和真實(shí)的光柵線不好區(qū)分。
目前已有了一些提取光柵線的方法。針對(duì)光柵匹配的問(wèn)題，較好的方法是采用顏色編碼。但是已有的采用顏色編碼的方法的魯棒性不高，它們都要求場(chǎng)景的顏色均勻，紋理簡(jiǎn)單，并且需要在暗室中進(jìn)行圖像拍攝，否則無(wú)法從圖像中正確地提取出光柵條。虛假光柵線的問(wèn)題在很多已有的方法中都沒(méi)有解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種魯棒性和精度較高的提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，該方法可以有效解決光柵線提取中的三個(gè)難點(diǎn)，并且簡(jiǎn)單實(shí)用。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方法是提供一種通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，包括步驟1)所需重建或測(cè)量的場(chǎng)景依次投射三種編碼的彩色光柵，分別拍攝在這三種光柵照射下場(chǎng)景的圖像；2)通過(guò)比較這三幅圖像中相應(yīng)像素點(diǎn)各顏色分量的大小，提取并解碼出各光柵條；3)根據(jù)連通光柵條所包含的像素個(gè)數(shù)，剔除噪聲點(diǎn)；4)根據(jù)光柵條的相鄰關(guān)系，提取并解碼出30條光柵線；5)根據(jù)連通光柵線的長(zhǎng)度，剔除噪聲點(diǎn)；6)將三種彩色光柵中的光柵條向下作相等量的平移；7)重復(fù)(1)到(5)的步驟，根據(jù)新拍攝的圖像，提取并解碼出新的30條光柵線；8)比較先前提取出的30條光柵線和新提取出的30條光柵線，剔除重復(fù)的部分；
9)如果還需提取更多的光柵線，可以進(jìn)一步向下平移三種光柵中的光柵條并重復(fù)(1)到(5)的步驟。
所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其在第1步中，所述依次投射三種編碼的彩色光柵，每一種光柵包含31條光柵條，光柵條的顏色為紅，綠，藍(lán)中的一種，通過(guò)三次顏色變化的順序來(lái)編碼光柵條。
所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其在第2步中，不用通常所采用的閾值法。
所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其在第4步中，從上到下縱向掃描圖像，當(dāng)檢測(cè)到相鄰的上下兩個(gè)分別被不同編碼的光柵條所照射的像素點(diǎn)時(shí)，記錄它們的中點(diǎn)，該中點(diǎn)就在一條光柵線上，該光柵線的編碼由上下兩條光柵條的編碼決定。
所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其在第3步、第5步中，通過(guò)去除小的連通區(qū)域和短的連通線，來(lái)去噪。
所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其在第6步中，每次平移可以增加30條光柵線。
所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其在第8步中，通過(guò)去除光柵條平移前后所提取出的光柵線中的重疊部分，來(lái)去除由于深度突變而產(chǎn)生的虛假光柵線。
所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其所述小的連通區(qū)域，為光柵條中小的連通區(qū)域。
所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其所述短的連通線，為光柵線中短的連通線。
所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，該方法通過(guò)一投影儀，一計(jì)算機(jī)和一攝像機(jī)來(lái)實(shí)施；攝像機(jī)由計(jì)算機(jī)控制，在光柵投影和拍攝的過(guò)程中攝像機(jī)的位置固定不動(dòng)。
本發(fā)明可以提取由普通投影儀投射到一般場(chǎng)景中的光柵線。場(chǎng)景中物體的顏色和紋理變化可以比較復(fù)雜，并且可以在一般室內(nèi)照明的情況下提取光柵，而不一定需要在暗室中進(jìn)行。虛假光柵線也被有效剔除。每拍攝3幅圖像可以提取30條不同的光柵。在一般應(yīng)用中，需要提取120條光柵條，則需要拍攝12幅圖像。一般的投影儀和工業(yè)攝像機(jī)在4秒鐘內(nèi)就可以完成12次光柵的投影和圖像的采集。這樣的速度可以滿足一般靜止物體的重建和測(cè)量。


圖1是本發(fā)明方法的步驟示意圖；圖2a，圖2b，圖2c分別是依次投射的三種光柵；圖3a和圖3b分別是平移前和平移后的同一種光柵；圖4a為被121條光柵條照射的場(chǎng)景圖像；圖4b是用本方法提取出的120條光柵線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明方法要求有一個(gè)投影儀，一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一架由計(jì)算機(jī)控制的攝像機(jī)。在光柵投影和拍攝的過(guò)程中攝像機(jī)的位置固定不動(dòng)。以下分5部分具體說(shuō)明該方法1.光柵編碼。
本方法每次依次投影三種光柵，如圖2所示，比較所拍的三幅圖以提取30條光柵線。每種光柵由31條水平光柵條組成。每條光柵條的顏色為紅、綠、藍(lán)中的一種。光柵條的寬度W≈Height31,]]>其中Height為計(jì)算機(jī)顯示屏的高度。這31條光柵條從上到下依次記為第1，第2，…，第31條光柵條。在每種光柵中編號(hào)相同的光柵條的位置和寬度相同，只是顏色不同。根據(jù)三次顏色變化不同，共有6種情況，我們用a，b，c，d，e，f來(lái)編碼這6種情況的光柵條。例如編碼為a的光柵條三次顏色變化的順序?yàn)榧t->綠->藍(lán)；b代表三次顏色變化的順序?yàn)榧t->藍(lán)->綠。具體編碼的方法如表一。

表一光柵條的編碼光柵線是相鄰兩條光柵條的分界線，31條光柵條可以確定30條光柵線。從上到下這些光柵線記為第1，第2，…，第30條光柵線。適當(dāng)排列6種編碼的光柵條的位置，我們可以根據(jù)相鄰光柵條的編碼唯一確定它們之間光柵線的編碼。例如如果從上到下兩條相鄰光柵條的編碼為a和b，則該光柵線為第一條光柵線；從上到下兩條相鄰光柵條的編碼為b和a，則該光柵線為第二條光柵線。不同光柵條具體的排列方法可參考表二。
由于共有6種光柵條，所以該方法一次只能編碼P62=6×5=30]]>條光柵線。

表二三種光柵中31條光柵條顏色的排列
2.光柵條的提取。
根據(jù)雙色反射光照模型，同一個(gè)場(chǎng)景點(diǎn)當(dāng)被紅色光柵條照射時(shí)投影到圖像中的像素點(diǎn)，其紅色分量比被綠色或藍(lán)色光柵條照射時(shí)大。同樣，同一個(gè)場(chǎng)景點(diǎn)當(dāng)被綠色光柵條照射時(shí)投影到圖像中的像素點(diǎn)，其綠色分量比被紅色或藍(lán)色光柵條照射時(shí)大；同一個(gè)場(chǎng)景點(diǎn)當(dāng)被藍(lán)色光柵條照射時(shí)投影到圖像中的像素點(diǎn)，其藍(lán)色分量比被紅色或綠色光柵條照射時(shí)大。所以通過(guò)比較在三種光柵照射下場(chǎng)景圖像中相應(yīng)像素點(diǎn)各顏色分量的大小可以確定出該像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景點(diǎn)是被哪種編碼的光柵條照射。例如在三幅圖像中，坐標(biāo)為(x，y)的像素點(diǎn)的紅綠藍(lán)分量值分別記為(r1，g1，b1)，(r2，g2，b2)，(r3，g3，b3)。如果Max{r1，r2，r3}＝r1；Max{g1，g2，g3}＝g2；Max{b1，b2，b3}＝b3；則該像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景點(diǎn)被編碼為a的光柵條所照射(該光柵條顏色變化順序?yàn)榧t-)綠->藍(lán))。而如果Max{r1，r2，r3}＝r1；Max{g1，g2，g3}＝g3；Max{b1，b2，b3}＝b2；則該像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景點(diǎn)被編碼為b的光柵條所照射(該光柵條顏色變化的順序?yàn)榧t-)藍(lán)->綠)。等等。我們用光柵條的編碼來(lái)編碼各像素點(diǎn)，沒(méi)有被光柵照射的像素點(diǎn)我們編碼為n。由于各種復(fù)雜的原因(如投影儀所投影出的光線的方向性不好，場(chǎng)景中復(fù)雜的漫反射等)，沒(méi)有被光柵條所照射到的場(chǎng)景點(diǎn)，根據(jù)以上的方法也有可能被誤判為被某一編碼的光柵條所照射。這樣的點(diǎn)就是噪聲點(diǎn)，它們通常是孤立的。我們將編碼相同的像素點(diǎn)根據(jù)連通性聚成區(qū)域，剔除面積很小的區(qū)域(例如像素個(gè)數(shù)小于50)。這些小區(qū)域通常就是噪聲。
由于我們采用作比較的方法來(lái)提取和解碼光柵條區(qū)域，而不像通常所采用的設(shè)定閾值進(jìn)行二值化的方法，所以魯棒性較高。在很多甚至連人眼也很難分清的情況下，該方法也可以精確地提取出光柵條。
3.光柵線的提取和解碼光柵線是相鄰兩條光柵條的分界線。我們用以下的方法來(lái)提取光柵線從上到下，從左到右掃描圖像。當(dāng)發(fā)現(xiàn)在同一條縱線上的兩個(gè)像素點(diǎn)(x，y1)和(x，y2)，y2＞y1，它們的縱坐標(biāo)的差值y2-y1小于一個(gè)閾值(例如4)，并且它們分別被不同編碼的光柵條所照射時(shí)，則坐標(biāo)為 的像素點(diǎn)就是某一條光柵線上的點(diǎn)。該條光柵線的編碼可以由這兩個(gè)像素點(diǎn)的編碼確定，例如如果像素點(diǎn)(x，y1)的編碼為a，而像素點(diǎn)(x，y2)的編碼為b，則該條光柵線就是第一條光柵線。根據(jù)連通性，我們將提取出的光柵線點(diǎn)聚成光柵線，剔除很短的光柵線(例如像素個(gè)數(shù)小于5)，這些很短的光柵線很可能是噪聲。
4.通過(guò)平移的方法獲取更多更密的光柵線在我們的方法中每次依次打3種光柵，通過(guò)所拍的3幅圖像可以提取出30條光柵線。而在實(shí)際應(yīng)用中我們可能需要提取更多更密的光柵線。這時(shí)我們可以通過(guò)向下平移光柵條的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。每種光柵中光柵條的平移量相等。將平移后所生成的新的3種光柵再次依次投向場(chǎng)景并拍攝這時(shí)的三幅圖像，可以提取出新的30條光柵線。這樣總共提取出了60條光柵線。如果還需更多的光柵線，可以進(jìn)一步平移光柵線。用這種方法，我們可以精確提取出300條光柵線(顯示屏為1024*768分辨率)。每次的平移量可按下面的公式計(jì)算Δ=W[N30]+1]]>其中N為所要求的光柵線的數(shù)量。這樣可以得到間隔均勻的光柵線5.虛假光柵線的消除光柵線是相鄰光柵條的分界線。由于場(chǎng)景中深度的突變，物體的輪廓也可能成為了不同光柵條的分界線，而被誤判為光柵線。由于物體的輪廓線不會(huì)隨光柵條的移動(dòng)而移動(dòng)，所以我們用以下的方法來(lái)去除虛假光柵線比較光柵平移前得到的30條光柵線和平移后得到的30條光柵線，剔除重疊的部分。
請(qǐng)參見(jiàn)圖4的實(shí)例，圖4a是在121條光柵條照射下的場(chǎng)景圖，圖4b是用本方法提取出的120條光柵線。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，包括步驟1)向所需重建或測(cè)量的場(chǎng)景依次投射三種編碼的彩色光柵，分別拍攝在這三種光柵照射下場(chǎng)景的圖像；2)通過(guò)比較這三幅圖像中相應(yīng)像素點(diǎn)各顏色分量的大小，提取并解碼出各光柵條；3)根據(jù)連通光柵條所包含的像素個(gè)數(shù)，剔除噪聲點(diǎn)；4)根據(jù)光柵條的相鄰關(guān)系，提取并解碼出30條光柵線；5)根據(jù)連通光柵線的長(zhǎng)度，剔除噪聲點(diǎn)；6)將三種彩色光柵中的光柵條向下作相等量的平移；7)重復(fù)(1)到(5)的步驟，根據(jù)新拍攝的圖像，提取并解碼出新的30條光柵線；8)比較先前提取出的30條光柵線和新提取出的30條光柵線，剔除重復(fù)的部分；9)如果還需提取更多的光柵線，可以進(jìn)一步向下平移三種光柵中的光柵條并重復(fù)(1)到(5)的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，在第1步中，所述依次投射三種編碼的彩色光柵，每一種光柵包含31條光柵條，光柵條的顏色為紅，綠，藍(lán)中的一種，通過(guò)三次顏色變化的順序來(lái)編碼光柵條。
3.如權(quán)利要求1所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，在第2步中，不用通常所采用的閾值法。
4.如權(quán)利要求1所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，在第4步中，從上到下縱向掃描圖像，當(dāng)檢測(cè)到相鄰的上下兩個(gè)分別被不同編碼的光柵條所照射的像素點(diǎn)時(shí)，記錄它們的中點(diǎn)，該中點(diǎn)就在一條光柵線上，該光柵線的編碼由上下兩條光柵條的編碼決定。
5.如權(quán)利要求1所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，在第3步、第5步中，通過(guò)去除小的連通區(qū)域和短的連通線，來(lái)去噪。
6.如權(quán)利要求1所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，在第6步中，每次平移可以增加30條光柵線。
7.如權(quán)利要求1所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，在第8步中，通過(guò)去除光柵條平移前后所提取出的光柵線中的重疊部分，來(lái)去除由于深度突變而產(chǎn)生的虛假光柵線。
8.如權(quán)利要求5所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，所述小的連通區(qū)域，為光柵條中小的連通區(qū)域。
9.如權(quán)利要求5所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，所述短的連通線，為光柵線中短的連通線。
10.如權(quán)利要求1所述的通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其特征在于，該方法通過(guò)一投影儀，一計(jì)算機(jī)和一攝像機(jī)來(lái)實(shí)施；攝像機(jī)由計(jì)算機(jī)控制，在光柵投影和拍攝的過(guò)程中攝像機(jī)的位置固定不動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)，是一種通過(guò)顏色編碼和比較法提取結(jié)構(gòu)光中光柵線的方法，其步驟a)向場(chǎng)景依次投射三種編碼的彩色光柵，分別拍攝這三種光柵照射下場(chǎng)景的圖像。b)比較三幅圖像中相應(yīng)像素點(diǎn)各顏色分量的大小，提取并解碼各光柵條。c)根據(jù)連通光柵條內(nèi)包含的像素個(gè)數(shù)，剔除噪聲點(diǎn)。d)根據(jù)光柵條的相鄰關(guān)系，提取并解碼出光柵線。e)根據(jù)連通光柵線的長(zhǎng)度，剔除噪聲點(diǎn)。f)將三種光柵中的光柵條向下作等量平移。g)重復(fù)(a)到(e)步驟，根據(jù)新拍攝的圖像，提取并解碼出新光柵線。h)比較先前提取的光柵線和新提取的光柵線，剔除重復(fù)部分。j)如果還需提取更多的光柵線，可再平移三種光柵中的光柵條并重復(fù)(a)到(e)步驟。
文檔編號(hào)G06T5/00GK1624720SQ200310118788
公開(kāi)日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2003年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月2日
發(fā)明者王璐, 胡占義, 吳福朝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所