[发明专利]一种结构光三维重建系统中基于频移条纹的编解码方法

权利要求书

1.一种结构光三维重建系统中基于频移条纹的编解码方法，其特征在于，所述结构光三维重建系统，包括计算机、投影仪和相机；投影仪和相机都与计算机连接；所述计算机用于生成目标条纹图组，并从相机拍摄的第一条纹图中解码出投影仪图像坐标；所述投影仪用于向场景投影目标条纹图组；所述相机用于拍摄经过场景表面反射的目标条纹图组，获取N幅条纹图，相机拍摄的条纹图被称为第一条纹图，N为大于或等于3的整数；包括以下步骤：

步骤1：定义目标条纹图组参数，目标计算机根据目标条纹图组参数编码生成目标条纹图组，并同时将投影仪图像坐标编码进目标条纹图组，目标条纹图组包括N幅目标条纹图；

定义目标条纹的平均亮度为A，目标条纹的调制度为B，目标条纹的初始相位为目标条纹的初始频率为f₀；具体编码步骤如下：

步骤1-1：采用三角函数生成第1幅目标条纹图；

如果生成的目标条纹图为竖直条纹图，采用式(1)和式(2)中任一进行编码：

如果生成的目标条纹图为水平条纹图，采用式(3)和式(4)中任一进行编码：

其中，I_p1(x_p,y_p)为第1幅目标条纹图，x_p为投影仪图像水平方向的坐标，x_p＝1,2,3,…,M_p-1，M_p为目标条纹图水平方向的宽度；y_p为投影仪图像竖直方向的坐标，y_p＝1,2,3,…,N_p-1，N_p为目标条纹图竖直方向的高度；

如果在此处选择了式(1)进行编码，则后续步骤中对于竖直条纹图进行计算时依次选择式(5)、式(9)和式(13)；如果在此处选择了式(2)进行编码，则后续步骤中对于竖直条纹图进行计算时依次选择式(6)、式(10)和式(14)；

如果在此处选择了式(3)进行编码，则后续步骤中对于水平条纹图进行计算时依次选择式(7)、式(11)和式(15)；如果在此处选择了式(4)进行编码，则后续步骤中对于水平条纹图进行计算时依次选择式(8)、式(12)和式(16)；

步骤1-2：生成第2幅到第N幅目标条纹图；

第i+1幅目标条纹图的频率为f₀+iΔf，Δf为频移量，i＝1,2,3,…,N-1；

如果生成的目标条纹图为竖直条纹图，则第i+1幅目标条纹图的计算公式根据步骤1-1选择式(5)或式(6)：

如果生成的目标条纹图为水平条纹图，则第i+1幅目标条纹图的计算公式根据步骤1-1选择式(7)或式(8)：

步骤2：投影仪将目标条纹图组中的N幅目标条纹图依次向待测场景进行投影，相机对投影图像依次进行拍摄，获得N幅第一条纹图，目标条纹图和第一条纹图一一对应；

步骤3：计算机从N幅第一条纹图中解码得到投影仪图像坐标；

步骤3-1：假定N幅第一条纹图中的每幅第一条纹图均包括H×W个像素点；像素点坐标用(p,q)表示，p＝1,2,3,…,H，q＝1,2,3,…,W；每幅第一条纹图中相同位置的像素点的坐标与其他N-1幅第一条纹图中相同位置的像素点坐标都相同；

步骤3-2：以像素为单位，从N幅第一条纹图中逐像素解码出H×W个像素点中每个像素点的投影仪图像坐标；

步骤3-2-1：根据第t幅第一条纹图中第j个像素点的图像亮度，t＝1,2,3,…,N，j＝1,2,3,…,H×W，建立关于第一条纹图中第j个像素点的第t个参数估计方程；

如果第t幅第一条纹图对应的目标条纹图为竖直条纹图，则参数估计方程根据步骤1-1选择式(9)或式(10)：

如果第t幅第一条纹图对应的目标条纹图为水平条纹图，则参数估计方程根据步骤1-1选择式(11)或式(12)：

其中，I_ct(p,q)为第t幅第一条纹图中第j个像素点的图像亮度，A_c为待估计参数，表示条纹的平均亮度；B_c为待估计参数，表示条纹的调制度；(x′_p，y′_p)为第t幅第一条纹图中第j个像素点对应的投影仪图像坐标；

步骤3-2-2：求取第1幅到第N幅第一条纹图中第j个像素点的参数估计方程，共有N个，联立N个参数估计方程，求解第j个像素处的待估计参数A_c、B_c和(x′_p，y′_p)；

建立优化目标函数：

如果第一条纹图对应的目标条纹图为竖直条纹图，则根据步骤1-1选择式(13)或式(14)的优化目标函数E(A_c,B_c,x′_p)最小，求解N个参数估计方程，解得的(x′_p，y′_p)即为第一条纹图中第j个像素点对应的投影仪图像坐标；

如果第一条纹图对应的目标条纹图为水平条纹图，则根据步骤1-1选择式(15)或式(16)的优化目标函数E(A_c,B_c,y′_p)最小，求解N个参数估计方程，解得的(x′_p，y′_p)即为第一条纹图中第j个像素点对应的投影仪图像坐标；

步骤3-2-3：重复步骤3-2-1和步骤3-2-2，解得第一条纹图中所有像素点对应的投影仪图像坐标。

2.根据权利要求1所述的一种结构光三维重建系统中基于频移条纹的编解码方法，其特征在于，所述步骤3-2-2中建立优化目标函数的方法为最小二乘法。