一种时空二元编码产生正弦结构光场的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学H维传感技术中产生正弦结构光场的方法，特别涉及一种时空二 元编码产生正弦结构光场的方法。
【背景技术】
[0002] 光学H维传感技术具有非接触、测量速度快、系统柔性好、精度高、数据易于自动 处理等显著优点，在虚拟现实、影视特技、生物医学、工业产品的外观设计、艺术雕塑和文物 保护等方面具有广泛的应用前景。
[0003] 根据H维面形对结构光调制的方式不同分为时间调制和空间调制两大类。飞行时 间法对传感器的时间分辨率要求极高，只适合长距离测量。空间调制先后采用点、线、面结 构光照明的方式获取受物体调制的结构光场。采用面结构光照明由于具备更高的测量效率 成为目前的研究热点，主要包括基于H角原理的相位测量轮廓术、傅里叶变换轮廓术（窗口 傅里叶变换轮廓术)、s变换轮廓术、小波变换轮廓术、相位偏折术W及采用垂直测量原理的 调制度测量轮廓术等。它们的共同特点是投影正弦结构光场，然后获取受物体调制的变形 条纹，通过分析条纹的相位、强度、对比度或者调制度等参数得到物体的H维数据。然而，无 论从变形条纹提取何种参数重建H维面形，结构光场的正弦性都是决定测量精度的首要因 素。
[0004] 商用数字投影仪产生结构光近年来被广泛应用于光学H维传感技术。其显著优点 是可实现零误差相移；可根据需要任意改变条纹周期，等等，灵活性大大提高。然而，商用 数字投影仪在测量中也存在非线性，破坏了条纹的正弦性W及有限峽频(例如，普通商用数 字投影仪灰度图像的切换频率为120Hz)限制多峽灰度正弦条纹的切换等问题，阻碍了其在 高速高精度测量领域的应用。采用二值条纹代替连续灰阶的标准正弦条纹产生正弦结构光 场，可W充分利用数字投影仪固有的二元图形高峽频切换功能实现高速测量。目前的脉冲 宽度调制技术，编码均是在一维尺度，对于条纹周期太小或者太大的场合并不同时有效。借 鉴数字半色调技术的抖动技术，包括误差扩散编码技术，在一维或二维尺度基于强度进行 简单编码，在条纹周期较大时，相对于方波光栅(亦称罗奇光栅）可W显著提高精度，但对于 条纹周期较小的情况误差仍然较大。在相位或者强度域通过大量迭代的一些优化算法，一 定程度上改善了测量精度，但优化极为耗时，灵活性较差。现有的方法大多属于空间编码的 范畴，即在一幅图像内进行编码。
【发明内容】
[0005] 本发明是针对现有的结构光编码存在的不足；适用范围有限W及编码灵活性差 等，发明一种新的时空二元编码产生正弦结构光场的方法。该方法将标准的正弦条纹图同 时进行二维时间和空间编码得到2" 2)幅二值条纹图，利用数字投影仪投影并实时采 集进行线性叠加得到与标准正弦条纹相同结构特征的高质量正弦条纹。由于利用了数字投 影仪固有的高速二元图形切换功能，且不受非线性影响，具备实现高速高精度的H维面形 测量的优势。
[0006] 本发明的目的是采用下述技术方案来实现的： 产生正弦结构光场的时空二元编码方法，将计算机预先产生的一幅标准正弦条纹图按 照灰度分布等分为2" 2)个区间(共2 "+1 2)种灰度状态)，分别对每个区间在 时间域和空间域采用二维误差扩散进行编码得到共2" 2)幅二值条纹图；利用数字投 影仪固有的二元图形高速切换功能将一序列二值条纹图依次投影并经成像系统采集后线 性叠加得到高质量的正弦结构条纹，W提高基于正弦结构光H维面形测量技术的速度和精 度。
[0007] 本发明与现有技术相比有如下优点： 1.本发明的时空二元编码产生结构光场的方法，除了具备空间域采用的误差扩散编码 高精度的优点W外，还将量化误差进行时间域扩散，得到的正弦结构条纹具有更高的正弦 性。
[0008] 2.本发明的时空二元编码产生结构光场的方法分解得到的2" 2)个二值条 纹图只有0-1两种状态，不受数字投影仪非线性影响，同时可W充分利用数字投影仪固有 的高速二元图形切换功能实现高速高精度H维面形测量。
[0009] 3.本发明的时空二元编码产生结构光场的方法编码方法效率高，无需大量迭代， 可W根据实际需要灵活改变标准正弦条纹的大小和周期，满足不同测量需求。
[0010] 4.本发明适用范围广，满足所有基于正弦结构光数字投影的H维面形测量技术， 如相位测量轮廓术、空间相位检测技术及傅里叶变换轮廓术等。
【附图说明】
[0011] 图1本发明情况下时空二元编码流程图。
[0012] 图2本发明情况下采用的二维误差扩散示意图。
[0013] 图3本发明情况下相位测量轮廓术原理图。
[0014] 图4本发明情况下将一幅标准正弦条纹图分解为4幅二值条纹图实例。
[0015] 图5本发明情况下将一幅标准正弦条纹图分解为4幅二值条纹图的编码查找表。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图、工作原理及实施例对本发明做进一步详细说明。
[0017] 本发明提出的一种时空二元编码主要包括标准条纹灰度均分、阔值量化、误差扩 散和编码四个部分。其中阔值量化、误差扩散和编码H个部分紧密关联。
[0018] 附图1中1是计算机产生的一幅标准正弦条纹图，其数学形式为 .1\ V) = 0.5 + 0.5 cost 2.T/；,.￥) (1) 其中表示标准正弦条纹的频率，与周期/7互为倒数关系。
[0019] 根据公式（1)，计算机产生的标准正弦条纹1灰度分布范围为0?1，本发明提出的 一种时空二元编码方法根据标准正弦条纹的灰度分布，将其均分为2" 2)个的强度区 间[(左-1)/2。，左/巧（仁1，2,3，...，20，产生共（2。+1)(/?>2)种灰度状态，对应分解为 附图1中2、3、4、…、5共2" 2)幅二值条纹图(仅给出了边框示意，下文将W实例进 一步说明）。对于均分的每一个灰度区间[(A-l)/2"，V2") U=l，2,3,…，20,对应的量化 阔值为（左-1)/2。+左/2。=(2左-1)/2"(仁1， 2,3，...，20。
[0020] 对于第的^灰度区间，任意一个元素r(i，./i，误差扩散后得到的修正值是 乂' (1. /). 为该强度区间第（i，刀个元素的扩散误差，它们之间的关系为
【主权项】
1. 一种适用于数字结构光三维传感测量的时空二元编码方法，其特征在于将计算机产 生的一幅标准正弦条纹图通过时间和空间编码分解成2Λ 2)幅二值条纹图，然后利用 数字投影仪将一时间序列的二值条纹图投影并经成像系统获取，所得正弦条纹图特征结构 与标准正弦条纹图相同。
2. 根据权利要求1所述的时空二元编码方法，其特征在于将一幅标准正弦条纹图的灰 度值等分为2Λ (/?> 2)个区间，对应2 Λ+1 (/?> 2)个灰度状态，对每个区间分别采用二维 误差扩散的方式进行空间编码得到相应的一幅二值条纹图，量化误差同时在本灰度值区间 和其它灰度值区间对应的二值条纹图以行列方式进行扩散，从而实现时间编码。
3. 根据权利要求1或2所述的时空二元编码方法产生的2 Λ (/?> 2)幅二值条纹图，其 特征在于每幅二值条纹图灰度值仅有0-1两种状态，不受数字投影仪非线性的影响，利用 数字投影固有的二元图形高速切换功能可以实现高速高精度测量。
4. 根据权利要求1所述的时空二元编码方法，其特征在于成像系统获取时空编码的二 值条纹图时，可以分别获取2Λ (/?> 2)幅二值条纹图，然后线性叠加成为一幅正弦条纹图， 也可以一次同时获取2Λ (/?> 2)幅二值条纹图，即成像系统获取一幅图像的时间与数字投 影仪投影2Λ (/?> 2)幅二值条纹图的时间相同，这时成像系统的帧频可以是投影仪帧频的 /2n (/7^ 2)〇
【专利摘要】本发明是三维传感技术中用时空二元编码产生正弦结构光的方法，它将计算机产生的标准正弦条纹图1按照灰度分布等分为2<i>n</i>（<i>n</i>≥2）个区间，然后对每个区间采用二维误差扩散进行时间和空间编码得到2、3、4、…、5共2<i>n</i>（<i>n</i>≥2）个二值条纹图；将这一序列的二值条纹图投影并经成像系统采集后线性叠加得到高质量的正弦条纹6。投影的一系列二值条纹图不受数字投影仪非线性响应的影响同时充分利用了数字投影仪高速二元图形切换功能，提高了三维面形测量的速度和精度。
【IPC分类】G01B11-25
【公开号】CN104567730
【申请号】CN201510019925
【发明人】苏显渝, 朱江平, 游志胜
【申请人】四川大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月15日