[发明专利]一种高适应性彩色结构光三维测量方法

权利要求书

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，具体操作步骤如下：

步骤1：设计彩色光栅：

步骤11：列出用于编码的六种纯色：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255两种值，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，们选取红(100)、品红(101)、蓝(001)、青(011)、绿(010)、黄(110)六色进行编码，

步骤1.2：选择彩色条纹的数目为33条，并为彩色条纹编号：蓝(001)、青(011)、绿(010)、黄(110)、红(100)、品红(101)条纹编号依次记为1、2、3、4、5、6，

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的集合s为：

s＝{

1234，1232，1212，1216，1654，1656，1616，1612，

2345，2343，2323，2321，2165，2161，2121，2123，

3456，3454，3434，3432，3216，3212，3232，3234，

4561，4565，4545，4543，4321，4323，4343，4345，

5612，5616，5656，5654，5432，5434，5454，5456，

6123，6121，6161，6165，6543，6545，6565，6561，

                                                   }

步骤1.4：确定各个编码周期的彩色条纹编码：

步骤1.4.1：建立彩色条纹集合I_o且彩色条纹集合I_o为空，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，从集合s中任意选择一个彩色条纹编码组合设为s_j，j＝0，并将彩色条纹编码组合s_j中的四个元素依序列入彩色条纹集合I_o，在彩色条纹集合I_o中形成彩色条纹序列，并将彩色条纹编码组合s_j从集合s中删除，集合s中剩余元素形成选择下一个彩色条纹编码组合的待选区sr，

步骤1.4.2：取彩色条纹编码组合s_j的后3个元素作为当前所选彩色条纹编码组合s_j+1的前3个元素并以此作为候选条件，从待选区sr中寻找满足候选条件的彩色条纹编码组合s_j+1，将彩色条纹编码组合s_j+1的最后一个元素补入I_o并列于彩色条纹序列的尾部，同时，从sr中删除彩色条纹编码组合s_j+1，集合s中剩余元素形成的选择下一个彩色条纹编码组合的待选区，

步骤1.4.3：如果j+1＝33，则彩色条纹集合I_o的彩色条纹序列为投影光栅的编码，并进入步骤1.5；否则，令j＝j+1，返回步骤1.4.2，

步骤1.5：对设计完成的彩色编码条纹序列中RGB分量依据公式(1)做正弦调制最终得到用于投影的彩色光栅，

Irn′(x,y)=sin(πtω)Irn(x,y)Ign′(x,y)=sin(πtω)Ign(x,y)Ibn′(x,y)=sin(πtω)Ibn(x,y)---(1)]]>

式中，I′_rn(x，y)，I′_gn(x，y)，I′_bn(x，y)分别表示用于投影的彩色光栅的第n条编码条纹的R、G、B分量，I_rn(x，y)，I_gn(x，y)，I_bn(x，y)分别表示彩色编码条纹序列的第n条编码条纹的R、G、B分量，ω为条纹宽度，其值为32个像素，x、y分别表示横、纵方向像素坐标，像素点(x，y)为所属单个条纹内横向的第t个像素，t的取值在0～ω之间，

步骤1.6：对步骤1.5得到的彩色光栅，依据公式(2)计算得到辅助光栅，

Irn′′(x,y)=255-Irn′(x,y)Ign′′(x,y)=255-Ign′(x,y)Ibn′′(x,y)=255-Ibn′(x,y)---(2)]]>

式中，I′_rn(x，y)，I′_gn(x，y)，I′_bn(x，y)分别表示用于投影的彩色光栅的第n条编码条纹的R、G、B分量，I″_rn(x，y)，I″_gn(x，y)，I″_bn(x，y)分别表示辅助光栅的第n条编码条纹其R、G、B分量，

步骤2：通过计算机和投影仪分别将彩色光栅与辅助光栅投影到被测物体上，并用摄像机分别取回彩色光栅与辅助光栅的变形图，

步骤3：对取回彩色光栅与辅助光栅的变形图进行处理，计算其各像素点的反射率，并根据反射率对彩色光栅的变形图进行补偿：

步骤3.1：根据式(3)计算其各像素点的反射率：

kr(x,y)kg(x,y)kb(x,y)=R(x,y)G(x,y)B(x,y)+R′(x,y)G′(x,y)B′(x,y)---(3)]]>

式中，x、y分别表示横、纵方向像素坐标，k_r(x，y)，k_g(x，y)，k_b(x，y)分别表示彩色光栅的变形图的像素点(x，y)的R、G、B分量反射率，R′(x，y)，G′(x，y)，B′(x，y)分别表示辅助光栅的变形图的像素点(x，y)的R、G、B分量，R(x，y)，G(x，y)，B(x，y)分别表示彩色光栅的变形图的像素点(x，y)的R、G、B分量，

步骤3.2：根据式(4)对彩色光栅的变形图进行补偿：

R′′(x,y)G′′(x,y)B′′(x,y)=R(x,y)/kr(x,y)G(x,y)/kg(x,y)B(x,y)/kb(x,y)---(4)]]>

式中，x、y分别表示横、纵方向像素坐标，k_r(x，y)，k_g(x，y)，k_b(x，y)分别表示彩色光栅的变形图的像素点(x，y)的R、G、B分量反射率，R″(x，y)，G″(x，y)，B″(x，y)分别表示补偿后的彩色光栅变形图的像素点(x，y)的R、G、B分量，R(x，y)，G(x，y)，B(x，y)分别表示彩色光栅的变形图的像素点(x，y)的R、G、B分量，

步骤4：对补偿后的彩色光栅变形图进行处理，得到包裹相位、相位周期信息和最终相位图像，

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求得被测物体的高度信息，从而实现三维信息的获取。

2.根据权利要求1所述的基于彩色光栅投影的快速三维测量方法，其特征在于，对补偿后的彩色光栅变形图的处理采用如下方法：

步骤4.1：将补偿后的彩色光栅变形图转换到HSV空间，取V分量作为补偿后的彩色光栅变形图的光强分布图，该光强分布图表达式如下：

(5)

式中，x、y分别表示横、纵方向像素坐标，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的光强分布图在(x，y)位置处的光强，ρ为彩色投影光栅中的单个彩色条纹宽度，j为虚数单位，为待测彩色光栅变形图的包裹相位值，

由欧拉公式原理，式(5)可改写为如下形式：

I(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(2πjf₀x)+c^*(x，y)exp(-2πjf₀x)   (6)

其中，                                                               (7)

x、y分别表示横、纵方向像素坐标，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，

对式(6)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)    (8)

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包裹相位图，包裹相位值为

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，最终得到包裹相位信息，

步骤4.2：对补偿后的彩色光栅变形图进行彩色分割：

将补偿后的彩色光栅变形图转换至HSV空间，将S分量与V分量均赋值为255以消除亮度和饱和度的影响，然后将处理后的彩色光栅变形图转换回RGB空间，对RGB三分量分别用大津法进行阈值分割，

步骤4.3：解码：

对步骤4.2得到的彩色分割结果进行解码，得出彩色分割结果中的彩色条纹与用于投影的彩色光栅中各条纹的对应关系，即求得它们对应的位置编码，这个位置编码也就是相位周期性展开中用到的相位周期信息，解码的具体步骤如下：

步骤4.3.1：数据预处理，首先建立一个标志数组，其元素数与图像中像素数相等，即数组的每个元素都与图像中相应位置的像素对应，将图像中出现的六种颜色蓝色、青色、绿色、黄色、红色、品红编号为1、2、3、4、5、6，标志数组中存储的就是彩色分割结果对应位置像素的颜色编号，这样可以避免在后续处理中多次访问像素的三个颜色分量而影响处理速度，

步骤4.3.2：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4.3.3：逐行遍历得出改善后的彩色分割结果中各行各像素对应彩色条纹的位置编码：

①从左到右遍历第i行像素，标志出各条纹的边界，并根据步骤4.1中得到的包裹相位图中边界跳变信息对彩色分割结果中的条纹边界加以修正，

②判断出彩色分割结果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光栅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4.4：包裹相位的展开：将步骤4.3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4.1中得到的包裹相位信息，依据式(10)对相位展开得到最终相位φ(x，y)，

式中，n为条纹位置编号，即相位的周期信息，为包裹相位。