RGB颜色格雷码结构光三维测量技术研究

　　1　引　　言

　　在非接触三维测量技术中,结构光法具有成本低、分辨率高和速度快的优势,被公认为实用性最强的光学非接触三维测量技术,正日益受到重视并得到应用[122]。编码结构光法能够缩短测量时间提高测量效率,该方法有时间编码和空间编码。近年来,颜色编码被越来越多地运用到三维物体测量工程技术中。在投射相同数量的编码图案中运用颜色可以获得比灰度条纹更多的信息[324],而且颜色编码可解决基于CCD的摄像机通常将灰度编码中条纹间的边界向暗条纹一边移动的缺点[5]。本文在两灰度二进制时间编码的基础上,提出一种基于RGB颜色格雷码的结构光编码方法。该方法用红蓝条纹代替黑白条纹,并用单像素绿条纹将红蓝区域分隔,提取绿条纹中心就可以达到提高条纹定位精度避免条纹移动,从而提高三维测量精度。该方法属时间编码,适合对静态物体进行测量。

　　文中给出基于RGB颜色格雷码的结构光编码方法,第1部分简要介绍系统组成;第2部分着重介绍编码解码原理;第3部分给出了彩色图像分割方法及重构实验的仿真结果;最后对研究工作做出总结。

　　2　系统组成

　　测量系统由投影仪、彩色摄像机、计算机组成,如图1所示。投影仪将计算机生成的编码条纹序列依照次序投射到物体上,彩色摄像机拍下被物体调制后的条纹图像再送回计算机进行数据处理,所有过程由计算机自动控制完成。物体的空间坐标值按照三角法原理根据摄像机拍摄图像的像素点求得[6]。

　　3　编码解码原理

　　3.1　彩色模型

　　色彩是图像分析中一个强有力的描绘子,人眼仅能区分二十几种灰度级,却能识别成千上万的色彩。几乎所有经常使用的颜色都可由红、绿、蓝3种基色直接混合得到,且这三基色恰与人眼视网膜上红视锥、绿视锥和蓝视锥细胞所敏感的颜色相一致。彩色模型是按照某种标准利用这三基色来表示颜色的。对于一幅24位真彩色图像,每一通道颜色中有28种灰度级,其颜色可达16万多种。由于图像亮度变化、表面纹理变化以及CCD本身固有的噪声使彩色图像中的颜色产生不同程度的模糊,摄像机很难分辨出所有灰度级的颜色。为使每种颜色之间的差别达到最大,系统投射的彩色条纹只采用每一通道的最大灰度级255,即使用三基色红(255, 0, 0)、绿(0,255,0)、蓝(0, 0, 255)来编码。这使拍摄的条纹图像中各种颜色之间、系统噪声即非线性的影响都大大减少,有利于图像正确解码得到可靠的处理数据[7]。

　　3.2　RGB颜色格雷码

　　图2所示为RGB颜色格雷码的编码解码原理, t1、t2、t3表示投射次序。图2(a)是两灰度二进制格雷码的编码方法,黑白条纹的码值记为0和1,投射三幅图像可产生23个不同码值代表投射条纹。所有码值按格雷码方式编排,其每相邻两列的码值中只有一位转换误差。这种编码可靠,是一种错误最小化的编码。其循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能。但由于基于CCD的摄像机拍摄的条纹有向暗区域移动的特性,使得解码时产生黑白条纹边界定位误差。因此,本文用颜色代替灰度来编码。图3(b)是用红、蓝色条纹代替图2(a)中的黑、白色,相应码值同样记为0和1。图2(c)中在所有相邻红蓝条纹中取其最后一位像素投射绿条纹。从图2中看出绿条纹的码值不唯一,可取0或1,其具体判断公式为: