基于彩色条纹结构光的物体三维重建方法

作者:吴成东;耿飞;楚好;张云洲 刊名:东北大学学报(自然科学版) 上传者:金光浩

【摘要】提出了一种新的基于结构光的彩色条纹编码方法完成彩色投影图案的设计.将投影投射到待测量物体表面后,需要对获得的图像进行颜色区分来获得代码信息.基于阈值和HSI空间分色算法,研究了彩色编码中8种颜色的有效区分方法.得到投影图像中条纹的代码信息后,利用摄像机和投影仪的参数计算物体的三维信息.研究了摄像机和投影仪标定以及物体三维信息的计算方法,进而研究了基于样条插值的物体表面三维重建方法.利用提出的方法对石膏模型和人手表面进行三维测量与重建.实验结果表明,所提出的三维重建方法具有较高的重建精度和良好的实时性品质指标.

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物体的三维信息获取和表面几何形状重建是机器视觉领域的热点研究课题之一获取物体三维信息的技术有多种,其中,基于结构光的主动视觉技术得到了学术界的广泛关注,并取得重要研究进展[1-2]目前,结构光技术被认为是对物体表面进行重建的最可靠的技术之一,随着研究的深入,利用各种结构光进行物体三维表面信息获取的技术不断涌现,并以各自的特点应用于不同的领域[3-5]结构光技术能够用于产品在线质量测量、模具三维形状的监测、机械手的定位及医疗等行业,还广泛应用于人体部位的三维重建和识别领域目前国际上结构光技术的发展有以下特点:由于条纹图案设计和实现更为简易,同时还由于更易于识别的优点,对于投影图案的设计主要趋向于使用条纹图案由于彩色投影图案可以增加基本代码的数量并且确保编码的惟一性,并且可以对运动物体进行重建,因此基于彩色投影图案的结构光技术得到了推广结构光技术现阶段存在的不足是此技术只适合对室内环境中的物体表面进行测量并进行重建[6-7]本文对基于彩色条纹结构光的物体三维表面重建方法进行了研究1投影图案编码及图像边缘处理方法条纹结构光应用主要是如何从摄像机获得的图像中提取出与投影图像对应的条纹,因此,首先需要对投射的条纹图案进行编码,以便从获得的图像中对各条纹进行识别本文提出了一种彩色条纹编码方法,条纹颜色取RGB空间中颜色立方体的8个顶点值;相邻的条纹在R,G,B3个通道中至少有两个通道的值是不同的;任何相邻4条条纹的颜色序列不能重复,以保证每条条纹的惟一性这种惟一性对于后续的条纹边缘解码,尤其在物体表面图像快速变化或者不连续的情况下,为条纹边缘解码处理提供了良好条件为了获得准确而全面的边缘信息,本文对得到的投影图像进行3个通道分解,对3个通道的灰度图像使用Canny算子进行边缘提取,再将3个结果相结合得到完整的边缘信息2颜色分化算法得到投影图像中完整的条纹边缘信息后,需要对条纹进行解码处理实现对条纹的识别由于投影图案中的条纹是利用颜色进行编码的,对于获得的投影图像进行准确的颜色区分成为了解码的基础因此,需要一种能够不受环境光照条件等影响而进行准确有效分色的方法为了去除光照对于颜色区分的影响,在HSI空间中对获得的图像进行颜色区分处理根据每个像素点对应的H值对图像进行分色,分色对应关系如表1所示表1H值对应的颜色Table1Hvaluesandcorrespondingcolors0~112&1112~1112~1414~152512~712712~3434~1112红黄绿青蓝品红由于白色与黑色的H值均为0,依靠H值是无法区分白色与黑色的因此,首先分析每个像素在R,G,B通道的分布情况,将3个通道数值比较接近的作为白色和黑色的候选像素通过阈值分析得到3个通道的阈值,将候选像素中3个通道的数值都大于阈值的作为白色像素,其余的候选像素作为黑色像素获得图像中的黑色和白色像素后,将余下的像素点从RGB空间转换到HSI空间进行分色处理3系统标定方法得到投影图像中各条纹的编码信息后,要完成待测量物体表面三维信息的计算,需要获得实验中使用的摄像机和投影仪的参数本文为完成对摄像机参数的测量计算,采用了标定板标定方法而对于投影仪的标定则是在摄像机参数的基础上进行测量和计算获得的本节所使用的符号意义如下:mi=(u,v)T表示图像坐标系坐标;xi=(xp0,yp0,zp0)T表示世界坐标系坐标;mi=(u,v,1)T表示图像坐标系齐次坐标;~ix=(xp0,yp0,zp0,1)T表示世界坐标系齐次坐标3.1摄像机标定系统的标定过程需要确定摄像机焦距,成像系统坐标相对于世界坐标系的平

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