[发明专利]基于环形排列的彩色条纹编码方法

说明书

技术领域

本发明属于三维信息重构的技术领域，主要涉及到逆向工程中，用环形排列解决周期歧义性问题，得到序列周期唯一的彩色条纹编码的方法，尤其涉及一种基于环形排列的彩色条纹编码方法。

背景技术

随着社会的发展和人们生活水平的提高，彩色图像出现的越来越多，而计算机技术和处理速度的飞速发展也能够满足处理更为复杂的彩色图像的需要，使彩色图像的处理变成可能。三维测量技术采用彩色图像处理的方式不仅能重构出彩色的三维信息，而且由于彩色图像比黑白图像包含更多的信息，测量的精度也会因此提高；同时彩色条纹编码的光栅包含丰富的信息，可以减少采集图像的数量，更适合动态的三维测量，提高相位法的实时性。

逆向工程(Reverse Engineering，RE)技术是20世纪80年代后期出现在先进制造领域里的新技术，其一般包括四个基本环节：三维形体检测与转换(物理数据的获得)、数据预处理(点云处理、识别、多视拼接)，CAD模型的建立(曲面重构)、CAM制件成型。大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上，即产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”。其基本流程图如图1所示。

三维轮廓检测及其重构技术是计算机图像处理技术的一个分支，是计算机视觉和计算机图形图像处理相结合的一个研究方向，它在生产自动化、机器人视觉、CAD、虚拟现实和医学映像诊断等领域都有着广泛的应用前景。

光栅投影法是实物逆向工程技术中的一种，具有检测过程完全非接触、数据空间分辨率高、一次性瞬间投影直接实现三维空间物体形状检测和获取三维信息的特点。在实际应用中具有对环境要求低、成本低廉、使用操作方便等多种优点。

在光栅条纹图中，通过给待求相位场加上已知或未知的常相位，来得到新的条纹图，即增加求解条件。这种通过对条纹图相位场进行移相来增加若干常量相位而得到多幅条纹图用以求解相位场的方法，称为相移法。相移法可提供比其他方法更高精度的结果，更重要的是，它没有相位符号二义性问题。这是因为多幅相移图比单幅图提供了更多的信息。通过上述方法得到的相位值在-π～π的范围内是折叠的(wrapped)，为了得到全场唯一的相位值，在从相位分布中导出被测参数之前必须对所有的象素识别出未知的2π倍数跃变，从而得到复原的相位解码。这一过程称为位相展开(phase unwrapping)或位相复原。

早期的三维轮廓检测及其重构技术由于受到计算机处理速度的限制，人们刚开始都是针对灰度图像进行处理的，现今十分成熟的分割算法大多也是针对单色图像的分割，即从单色图像中提取出感兴趣的目标。当灰度图像有变化灰度的背景或本身有较大灰度范围的区域时，进行视觉图像的分割会非常困难。这是因为对于单色图像的分割来说明亮度是惟一的可用信息，故这种问题是灰度图像本身固有的。

在针对灰度光栅条纹图进行位相展开时，采用传统的解相方法时，由于象素间的不独立性，在物理间断区和噪声点处易出现“拉线”现象。局部误差将影响到全局。专利文献《三维扫描系统中基于格雷码的相位展开方法》根据空间二进制编码的要求设计7幅逐步二分的投影光栅图，利用格雷编码的方法确定相位所在的周期，由此进行相位展开。此方法进行相位展开方法相对简单，可以很好的区分出物理间断处和噪声，不依赖于路径，不存在误差传播，能够得到准确的周期。并且，由于物体边缘位置格雷码有所缺失，导致相位缺失，使得展开的相位图呈锯齿状，专利发明人还采用相位跳变划分的方法将缺失相位补全。这种方法针对灰度光栅条纹图进行位相展开非常有效并能取得良好的效果。

但是，由于灰度光栅条纹图经过阈值分割后是黑白二值的光栅条纹，需要设计7幅逐步二分的投影光栅图，才能唯一确定绝对相位，进而进行相位展开，非常不利于动态测量。而彩色投影光栅图包含更丰富的信息，可以减少采集图像的数量，理论上，利用一幅图像就能唯一确定绝对相位，进行相位展开，更适合动态的三维测量，提高相位法的实时性。

设计彩色投影光栅图主要有两个方面的问题：一、应尽量减少图像中颜色的种类，图像中颜色越多，对后期彩色图像分割越不利，并且各颜色之间的区分度也直接影响着彩色分割的精度。二、为了唯一确定绝对相位，需要设计唯一的条纹序列，即彩色条纹编码问题。同时，为了扩大测量范围，应使唯一的条纹序列周期尽量大。

在实现彩色条纹编码时，需要考虑以下问题：