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1、(10)申请公布号 CN 103913130 A (43)申请公布日 2014.07.09 CN 103913130 A (21)申请号 201410147154.3 (22)申请日 2014.04.14 G01B 11/25(2006.01) (71)申请人 哈尔滨理工大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 357 号 (72)发明人 于晓洋 吴海滨 于双 孟晓亮 王北一 孙晓明 (54) 发明名称 一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方 法 (57) 摘要 本发明提供了一种用于视觉三维测量组合编 解码的容错方法。本发明将编解码过程转换到归 一化空间进行， 便于计算 ； 。
2、通过归一化因子映射 可在测量空间中任意尺度编解码。 编码时， 设定模 拟码周期长度为 2， 数字码周期长度为 1 ； 设定模 拟码起始点相对于数字码起始点滞后 0.5。解码 时， 利用容错式求得组合码值， 避免了最易出错的 数字码值对组合码值的影响。本发明在整个编码 空间内， 修正了由数字码值错误带来的组合码值 错误， 从而避免了测量粗大误差 ； 也即， 避免了由 图像信息提取误差带来的测量粗大误差。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 C。
3、N 103913130 A CN 103913130 A 1/1 页 2 1. 一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法， 其特征在于它通过以下步骤实现 ： 步骤一 ： 将编解码过程转换到归一化空间进行， 归一化因子设为 式中tm为模拟码周期的物理长度 ；ts为数字码周期的物理长度 ； 则归一化空间中的模拟码周期长度， 数字码周期长度； 步骤二 ： 编码时， 设定； 设定模拟码起始点 Om相对于数字码起始点 Os滞后； 为组合码值， 模拟码值， 数字码值； 步骤三 ： 解码时， 被测点所在的模拟码周期序数km(km=0, 1, 2, 3n) 根据被测点的数字码 值ks和模拟码值由式 (1) 求。
4、得， 式中 fix 为向下取整函数 ： (1) 组合码值由式 (2) 求得 (2)。 权 利 要 求 书 CN 103913130 A 2 1/6 页 3 一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法 0001 （一） 技术领域 本发明涉及视觉三维测量领域， 尤其涉及该领域中的组合编解码方法及其容错方法。 0002 （二） 背景技术 视觉三维测量方法主要包括结构光法和双目法两类， 两类方法通过编解码过程划分测 量空间， 目的是提高测量效率 ( 速度 ) 同时保证测量准确度。 0003 编解码方法主要包括空间编解码法和时间编解码法， 其中前者测量效率较高， 后 者测量准确度较高。 0004 时间编解。
5、码法主要分为数字码、 模拟码、 组合码三类。 0005 数字码将测量空间划分为若干区域， 每个区域对应一个数字码值， 因此数字码分 辨率较低、 抗干扰能力强。代表性的数字码有二进制码、 多进制码、 格雷码、 RGB 码等。 0006 模拟码理论上可实现测量空间的连续划分， 测量空间中的每个点对应一个模拟码 值， 因此模拟码分辨率高， 但抗干扰能力弱。 代表性的模拟码有相移法、 强度比法、 颜色比法 等。 0007 组合码将数字码与模拟码结合， 首先利用数字码将测量空间划分为若干区域， 然 后在每个区域内利用模拟码进行连续划分。这样， 既避免了模拟码跨度过大导致的抗干扰 能力弱， 又实现了测量空。
6、间的连续划分。 组合编解码的具体过程为， 利用投射器依时序向测 量空间投射数字码和模拟码， 利用摄像机拍摄相应的多幅图像。 以测量空间中某点为例， 根 据该点的图像信息， 确定该点的数字码值k即可确定其所在的区域k； 确定该点的模拟码值 即可确定其在区域k内的具体位置 ； 最后， 利用组合码值即可确定该点在测 量空间中的位置， 式中为数字码周期长度。 0008 近年来， 国内外研究者提出多种组合码， 它们的基本特点为， 编码时数字码周期长 度和模拟码周期长度相等， 且数字码起始点和模拟码起始点相同 ( 即各个数字码周期边缘 与模拟码周期边缘一一对齐 ) ； 它们的不足之处在于， 解码时， 图像。
7、信息提取误差 ( 灰度、 颜 色的判断误差)可能会导致数字码值k错误(在周期边缘附近尤为明显)， 从而导致组合码 值错误， 最终产生测量粗大误差 ( 约为的整数倍 )， 而由产生的误差远小于由k产生 的误差。为了避免测量粗大误差， 国内外研究者提出了一些周期边缘处的码值判别与修正 规则， 对于某些粗大误差点具有一定效果 ； 但未系统地分析编解码方法与码值错误的关系， 未建立该关系的数学模型， 未在整个编码空间 ( 对应整个测量空间 ) 利用编解码方法消除 粗大误差点， 而这正是本发明致力解决的问题。 0009 （三） 发明内容 本发明的目的在于克服视觉三维测量组合编解码过程中， 由图像信息提取。
8、误差带来组 合码值错误， 从而导致测量粗大误差的不足， 提供一种能够避免组合码值错误的容错方法。 0010 本发明的目的是这样实现的 ： 步骤一 ： 将编解码过程转换到归一化空间进行， 归一化因子设为 说 明 书 CN 103913130 A 3 2/6 页 4 式中tm为模拟码周期的物理长度 ；ts为数字码周期的物理长度。 0011 则归一化空间中的模拟码周期长度， 数字码周期长度。 0012 步骤二 ： 编码时， 设定； 设定模拟码起始点 Om相对于数字码起始点 Os滞后。 如图 1 所示为部分编码， 图中横轴为组合码值， 反映被测点在编码空间中的位置 ； 纵轴表 示模拟码值、 数字码值；。
9、 o为组合编码的起始点 ； 图中粗实线 表示数字码， 粗虚线表示模拟码。 0013 步骤三 ： 解码时， 被测点所在的模拟码周期序数km(km=0, 1, 2, 3n) 根据被测点的数字码 值ks和模拟码值由式 (1) 求得， 式中 fix 为向下取整函数。 0014 (1) 组合码值由式 (2) 求得 (2) 本发明的有益效果有 ： 1. 在整个编码空间内， 修正了由数字码值错误带来的组合码值错误， 从而避免了测量 粗大误差 ； 也即， 避免了由图像信息提取误差带来的测量粗大误差。 0015 2.组合码值由式求得， 避免了最易出错的数字码值ks对组合码 值的影响。 0016 3. 将编解码过。
10、程转换到归一化空间进行， 归一化空间中的模拟码周期长度、 数 字码周期长度可设定为整数， 便于计算 ； 通过归一化因子将、 映射为模拟码周期的 物理长度tm、 数字码周期的物理长度ts， 改变可在测量空间中任意尺度编解码。 0017 （四） 附图说明 图 1 为本发明的编码原理图。 0018 图 2 为数字码与模拟码的周期长度 位置关系分析图。 0019 图 3 为容错能力分析图。 0020 （五） 具体实施方式 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明 ： 1. 解码公式推导 图 1 中， 不失一般性， 任意点 P 的组合码值可由数字码或模拟码表示为 (3) (4) 式 (3) 中，。
11、 表示 P 在某个数字码周期内的实际位置， 无法求得， 后面将略去。 0021 联立式 (3) 和式 (4) 得到 说 明 书 CN 103913130 A 4 3/6 页 5 (5) 将( 该关系为编码时设定 ) 代入式 (5)， 整理得到 (6) 将和分 别 分 解 为 整 数 部 分 与 小 数 部 分 之 和，即， ， 式中 表示整数部分、 表示小数部分。整理式 (6) 得到 (7) 式 (7) 中，、， 则， 以下分两种情况讨论 ： 情况一， 当时， 式 (7) 两边同时加上并进行向下取整运算得到 (8) 式 (8) 左侧， 由于， 则； 式 (8) 右侧， 由于、 均为 正整数， 。
12、则对取整运算结果无影响， 可舍去。则得到 (9) 情况二， 当时， 式 (7) 两边同时进行向下取整运算仍得到式 (9)。 0022 综合情况一和情况二， 得到km的一般表达式 (10) 若编码时设定， 则式(10)简化后得到发明内容步骤三中的式(1)。 0023 2. 编码依据 若数字码和模拟码的周期长度相等、 周期边缘一一对齐， 则(km由ks确定 )， 根据 ， 则数字码值ks错误导致组合码值错误， 产生整数倍的粗大误差。因 此， 该编解码方法不具有容错能力。 0024 为了使编解码方法具有容错能力 ： 第一， 本发明设定数字码和模拟码的周期长度不相等， 且。 不失一般性， 归一化 空间。
13、中与相差 1， 则测量空间中二者可相差任意值 ( 通过映射 )。 0025 第 二，本 发 明 设 定 模 拟 码 起 始 点 相 对 于 数 字 码 起 始 点 滞 后 ， 则任意数字码和模拟码周期边缘不对齐。 0026 图 2 所示为数字码与模拟码的位置关系， 图中只显示了数字码和模拟码的某 部分。若某点 A 的模拟码真值为 ()， 无论数字码值出错与否， 只要 (为的实际测量值， 即)， 则根据式(10)得到的km不受 说 明 书 CN 103913130 A 5 4/6 页 6 影响。在区间m, m+1)内， 兼顾模拟码真值的可测范围和容错范围， 则取边缘E在m+0.5 处，的可测范围。
14、为 m+0.25, m+0.75)， 容错范围为。 0027 如前所述， 当=m+0.5 的情况下， 容错能力最强， 即数字码只在其周期边缘两侧 各 0.25 的范围内出错、 模拟码测量误差小于时， 容错能力最强。显然， 数字码容错范 围为、 模拟码容错范围为， 则和越大越好， 亦即和越小 越好。又因为和为正整数， 则选择、， 可使容错范围最大， 同 时。 0028 综上， 本发明编码时设定，、。 0029 容错能力 ( 具体误差 ) 分析 以表示 A 点的模拟码真值、表示 A 点的模拟码实际测量值 ( 通过图像信息提 取得到 ) ； 以ksA表示 A 点的数字码真值、表示 A 点的数字码实际。
15、测量值 ( 通过图像信息 提取得到 ) ； 以kmA表示 A 点的模拟码周期序数真值、表示 A 点的模拟码周期序数实际测 量值 ( 通过式 (1) 得到 ) ； 以表示 A 点的组合码真值、表示 A 点的组合码实际测量值 ( 通过式 (2) 得到 )。 0030 B、 C、 D 点的符号设定与 A 点相似。 0031 以下以图 3 中 A、 B、 C、 D 点为例， 讨论数字码周期边缘附近的误差情况 ( 容错能 力 )。 0032 分析 0.5 附近 A 点 () 的组合码值误差 若 假设ksA不出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值误 差等于模拟码值误差， 组合码值未出。
16、现粗大误差。 0033 假设ksA出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值 误差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0034 若 假设ksA不出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值误 差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0035 假设ksA出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值 误差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0036 分析 0.5 附近 B 点 () 的组合码值误差 若 假设ksB不出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值误 差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。
17、。 说 明 书 CN 103913130 A 6 5/6 页 7 0037 假设ksB出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值 误差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0038 若 假设ksB不出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值误 差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0039 假设ksB出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值 误差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0040 分析 1.5 附近 C 点 () 的组合码值误差 若 假设ksC不出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合。
18、码值误 差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0041 假设ksC出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值 误差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0042 若 假设ksC不出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值误 差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0043 假设ksC出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值 误差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0044 (4) 分析 1.5 附近 D 点 () 的组合码值误差 若 假设ksD不出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码。
19、值误 差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0045 假设ksD出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值 误差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0046 若 假设ksD不出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值误 差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0047 假设ksD出错， 则， 根据式 (1) 得到， 所以。结果， 组合码值 误差等于模拟码值误差， 组合码值未出现粗大误差。 0048 综上， 在数字码周期边缘附近， 最易发生图像信息提取误差， 带来数字码值错误。 但使用本发明容错方法， 数字码值错误不会带来组合码值错。
20、误， 从而避免了测量粗大误差。 编码空间中的其它点容错能力同 A、 B、 C、 D 点。 0049 容错方法实际测量实验 说 明 书 CN 103913130 A 7 6/6 页 8 将本发明方法具体实施在一种视觉三维测量系统编码光三维测量系统中， 系统包 括一个 Infocus82 3DLP 投影机和一个 HV-F22F 3CCD 摄像机， 采用计算机完成编码光三维 测量系统控制和数据运算。 0050 根据本发明方法编码， 利用投影机将编码图案投射在被测表面 ； 利用摄像机拍摄 编码图像， 并进行图像信息提取， 从而完成解码。 0051 针对复杂表面测量， 比较采用现有方法编解码和采用本发明容错方法编解码的测 量结果。 0052 两种方法的一般测量误差均小于 1mm ； 但对于颜色变化、 斜率变化、 反射率变化剧 烈的表面 ( 图像信息提取误差较大 )， 采用现有方法编解码出现了较多粗大误差 (1mm)， 而采用本发明容错方法编解码未出现粗大误差。 说 明 书 CN 103913130 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103913130 A 9 2/2 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103913130 A 10 。