[发明专利]基于周期互质混合编码的目标物体三维信息获取方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机视觉测量技术领域，主要涉及一种目标物体三维信息的获取方法，可用于人机交互、3D打印、逆向工程、文物三维重建。

背景技术

随着当今计算机视觉技术的发展和人们生活水平的提高，传统的二维信息已经不能满足人们的需求，快速、高效的从场景中获取三维信息成为当前研究的热点。从场景中获取三维信息的过程叫做深度获取。当前深度获取方法主要分为接触式和非接触式两大类。

接触式是通过实际触碰物体表面来得到三维信息，如坐标测量机。接触式测量法虽可以获得高精度数据，但其硬件要求高、速率低、使用不方便，对物体存在一定损害性，且往往只能得到少数特征点的深度信息。

非接触式则不需要与目标物体接触就能获取目标物体的三维信息，如现有的激光雷达、CT、声呐等方法。非接触式的测量速度快，采样密集，已成为现阶段获取三维信息一个重要手段。在非接触式三维信息获取方法里面又主要分为被动方法和主动方法两大类。

被动式三维信息获取方法是通过测量由目标物体表面反射的周遭辐射性，如激光、可见光，来计算目标物体的三维信息，常见的计算方法有立体视觉法、阴影测量法、聚焦法等方法。其中应用最为广泛的立体视觉法是通过模拟人的视觉方式，采用两个或多个摄像机获得的多个角度下的被测物体的数字图像，根据特定采样点在两幅图像中的匹配像素点及摄像机的相对空间位置、光学参数，依据三角测量原理计算得出该点的三维坐标。虽然被动式测量方法对成像设备要求不高，不需要额外光源，且操作简便，容易实现，但是对于不存在明显特征的图像，如无明显角点，该方法计算量大，匹配精度低，难以获得精细的测量结果。

主动式三维信息获取是通过将额外的能量投射到目标物体，借助能量的反射来计算目标物体的三维信息，常见的投射能量有可见光、高能量光束、超声波和X射线等，主动式三维信息获取方法主要有激光扫描法、飞行时间法和结构光法。

激光扫描法采用激光扫描仪对物体逐点进行扫描从而获取深度信息，虽然精度较高，但是速度很慢；飞行时间法即time of flight，是新兴的三维成像技术之一，它的测量速度快，但采集得到的深度图像分辨率和精度都较低。

结构光法，其原理是利用投射设备将具有一定规律的结构光模板投射到被测目标表面，利用图像采集设备记录被测目标表面的图像，将采集到的图像数据结合三角测距原理以及图形处理技术计算出物体表面的深度数据信息。这种方法既利用了图像作为信息载体，又利用可控光源形成明显纹理特征，能大大减小对诸如缺乏纹理、光滑、无明显灰度的表面区域进行匹配的难度。鉴于结构光三角化技术结构简单、测量速度快、精度高等特点，已得到广泛应用。

结构光法根据投射光图案又可分为单点法、单线法和编码法。单点结构光法具有准确度高、简单可靠的优点，但其测量速度慢；单线结构光法虽然比单点法测量速度有所提高，但是相应确定对应关系的难度也增大，影响了测量准确度。相比之下，编码结构光法通过编码解码使识别简化，有效提高了测量效率，因此成为目前结构光法最有前途的发展方向。

编码结构光法可分为空间、直接和时间三种编码方法。空间编码向景物投射一副编码图案、得到一副对应的编码图像，将编码图像和编码方式对照进行解码，从而解决两者的对应关系，它具有适合动态场景测量的优点，但是由于受其空间领域内特征点的影响，解码困难，测量误差增大，存在分辨率较低、受景物表面发射率不一致及颜色的影响等缺点。直接编码是指每个被编码像素都由其本身的灰度或颜色来识别，由于编码一般被浓缩成唯一的一副图案，噪声值增加，所以所用灰度或颜色的频谱非常宽，必须投射附加的参考图案，以便区分所用的投射灰度或颜色。该方法投射的图案数目较少，理论上适合动态测量且可以达到高分辨率，但编码图案识别困难，降低了测量准确度。

时间编码是将多个不同的编码图案按时序先后投射到景物表面、得到相应的编码图像序列，将编码图像序列组合起来进行解码，它具有易于实现、3D测量准确度高、空间分辨率高等优点。时间编码结构光方法又可分为两灰度级编码方法、多灰度级编码方法和组合编码方法。

两灰度级编码方法中，最具代表性应用最为广泛的是格雷码法.其优点是鲁棒性好，可实现突变表面及不连续表面的测量，测量准确度高，但分辨率相对较低。