[发明专利]一种针对颜色结构光扫描系统的自适应动态规划匹配方法

说明书

一、技术领域：

本发明涉及结构光三维扫描技术，尤其涉及针对颜色编码结构光扫描系统的自适应动态规划匹配方法。 

二、背景技术：

三维重建是计算机视觉研究领域的热点，该技术被广泛地应用于逆向工程、人机交互、游戏娱乐等众多领域，具有很强的实用性。如何高分辨率、高实时性以及在自然环境下获取被测物体的3D数据是该领域的研究热点。该技术可应用于逆向工程、人机交互、游戏娱乐等众多领域，具有很强的实用性。如何更准确、实时地获取物体的3D数据是该领域人士研究的目标。 

3D测量方法分为接触式和非接触式两类，典型代表是三维坐标测量机，这种测量方式以精密机械为基础，测量精度可高达微米级。但该方法由于不能测量柔软物体、成本高、重建速度慢、效率低，所以接触式的方法不能满足精确、快捷的测量要求。比较而言，非接触式测量则解决上述各种缺陷，以测量速度快、保持测量连续性，易数字化等优点成为一个重要的发展方向。 

非接触式测量方法又分为被动式和主动式两种。其中，被动式三维测量，不需要额外的光源[2]，照明由被测物体周围的自然光照条件提供。被动式技术测量精度比较低，计算量较大，无法达到高精度的标准；而主动式的方法是指向被测物体投射已经设定好的图案，该图案因为被测物体形状影响而发生形变，通过匹配图案发生的形变来获得物体的三维信息；其特点是测量精度高，结构简单，易于实现。 

非接触式测量方法研究集中在介质的选择和测量方法上。传递介质主要有激光、声波、电磁场、红外光等，其中光学测量方法由于工作距离大、测量精度高、可测量非金属物体等优点得到较快发展。在众多测量方法中，编码结构光以较高的测量精度、易于实现的突出优势成为研究的热点。结构光扫描通过投影设备、物体以及摄像头的三角关系计算出物体的深度。 

结构光扫描技术主要分为两大类。第一类是时间编码技术，通过投射一系列的结构光，从而获得高精度的三维点云数据，但这类方法只能扫描静态场景。另一类是空间编码技术，这类技术的优点是能够通过一次结构光投射获取三维点云数据，其中最常用的是De Bruijn(DB)序列。DB序列是一组伪随机序列，具有巨大码字数量和高线性复杂度，是具有最长周期的移位寄存器序列。DB序列由两个要素(n，m)来标定，它通过顺序排列的n种特征值的m种次序编码，其中每一种子串长度为m的序列仅使用一次。重建过程的最后通过每次匹配三个条纹的颜色，然后在de Bruijn序列中找到唯一的位置。从而可以获取每个条纹与拍摄相机的夹角信息，从而计算出物体三维信息，这种序列有非常好的自动相关功能。如物体表面反射率、环境光等，对结构光编码的解码有很大的干扰。为了解决这一问题，文献《Fechteler，P.，Eisert，P.:Adaptive color classification for structured light systems.Computer Vision，IET3(2009)49-59》中提出了用K-Means均值聚类的方法自适应地将颜色分类，从而可以在自然环境下并且无事先颜色校正地情况下较为准确地判定颜色的种类。在最后匹配过程中，采用概率模型与动态规划相结合的方式，准确率不甚 理想，影响了三维点云的精度。 

针对上述问题，本发明提出了一种针对提高条纹匹配准确率的动态规划算法。这种方法通过利用固定邻域窗中条纹的颜色和距离信息，并通过调整邻域条纹信息的权重来设计目标函数，取得更好的准确率，高达98％以上，从而可以获得良好的重建效果。 

三、发明内容：

本发明解决的技术问题是：针对颜色编码结构光扫描系统在匹配投射条纹和拍摄条纹的准确率不高的情况。本发明提出了一种利用条纹邻域信息来设计动态规划的目标函数，从而获取良好的三维重建效果。