第３９卷第５期
光電工程
２０１２年５月
ｍａｙ，２０１２
文章編號
部分編碼結構光三維測量技術的研究
霍金城 ，吳慶陽 ，曾祥軍 ，鄧麗２
（１．深圳市微納光子資訊科技重點實驗室，廣東深圳５１８０６０；
２．深圳市羅湖醫院口腔科，廣東深圳５１８００１）
摘要：提出了一種部分編碼結構光三維面形測量方法，將相位展開技術與條紋編碼結合起來，既有效地減少了投
影和拍攝的影象數量又提高了相位展開的可靠性。該方法利用部分編碼技術對相鄰的多根條紋進行整合，減小了
條紋密度，然後再對整合後的條紋相位進行展開，最終得到整個影象的相位分布。實驗證明，該方法可以較大程度地減少重建所需的畫幅數，同時具有良好的精度和可靠性。關鍵詞：
三維測量；編碼結構光；條紋整合；相位展開中圖分類號：ｔｎ２４７
文獻標誌碼：ａ
０ 引言
結構光三維測量方法具有非接觸、測量範圍大、速度快、精度高、可靠性好等優點，被廣泛應用於逆向工程、生物醫學、虛擬實境和質量控制等領域ｌｊ圳。隨著社會的發展和科技的進步，人們對三維測量的實時性和精確性的要求越來越迫切。目前，常用的ｄｌｐ投影儀的投影速度一般為６０ｈｚ，通過改裝色輪或者更換光源可以達到１８０ｈｚ，而實時三維測量速度至少要達到２４ｆｐｓ以上，要滿足此要求，投影儀每秒投影圖像數量要少於等於７幅。
目前傳統的相移測量輪廓術ｐ。。ｊ、傅利葉變換輪廓術 ｊ、彩色編碼輪廓術等測量技術雖然可以滿足重建所需的幀數要求，但是其精度有限，重建的可靠性不能保證；而編碼結構光ｌｊ和
收稿日期：２０１卜ｌ０—１２；收到修改稿日期：２０１卜１２—２ｏ
**專案：深期ｉ市科技計畫專案深圳大學應用技術開發專案（２０１１５１）；深圳市微納光子資訊科技重點實驗室開放**
資助課題
作者簡介：霍金城（１９８９一），男（漢族），廣東羅定人。碩士研究生，主要從事高速三維測量方面的研究
導師簡介：吳慶陽（１９７３一），男（漢族），陝西子長人。副教授，碩士生導師，主要從事機器視覺和光學三維感測方面的研究。
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５８光電工程２０１２年５月
時間相位測量技術 ¨ 等測量方法雖然具有較好的測量精度，但是其重建所需的幀數一般在１０幀以上，難以滿足實時測量的要求。因此我們對現有的測量方法進行了改進，將條紋編碼技術與相位展開技術結合起來，在保證測量精度和可靠性的情況下，有效地提高了測量速度。
１部分編碼結構光的測量原理
相位測量輪廓術最大的優點是點對點求解初相位，某一點的相位值不受相鄰點光強度的影響，避免了物體表面反射率不均引起的誤差，其分辨力高，相位提取精度高。但是通過相位測量輪廓術求得的相位值
摺疊在［＿兀，兀］的主值區間，必須對相位進行展開處理，正確地恢復出被摺疊的絕對相位
值」 。通常是採用線性掃瞄的方法，通過對空間上相鄰兩點的相位值進行比較，將摺疊相位展開，但對於
表面高度變化較為複雜的物體三維面型，受條紋斷裂引起的相位不連續、散斑雜訊等問題的影響，採用線性掃瞄的方法進行相位展開將導致展開結果錯誤。為了避免該錯誤，可以採用編碼的方式對每個條紋分別進行編碼。即除了基本的相移條紋外，再將多幅編碼圖案按一定的次序先後投射到被測物體表面，由攝像
機同步採集，然後對這一組條紋影象進行解碼，即可直接得到整個條紋影象的絕對相位分布。這種方法由
於是對所有的條紋進行編碼，因此所需投影的編碼影象數量最多，測量速度較低。
本文提出了一種部分編碼結構光的方法，編碼結構光投影圖案如圖１所示。編碼結構光是具有不同節
距的一系列二值光柵組成，其中第一幅編碼光柵按照二進位製碼編碼規則進行設計，後三幅編碼光柵按照格雷碼編碼規則進行設計。其測量過程如下：
圖１編碼圖案
１）求截斷相位
根據相位測量輪廓術的原理，將四幅具有２８個週期的正弦相移光柵影象依次投射到待測物體上，用攝像機同步採集變形條紋圖，利用求解相位演算法，得到摺疊在［＿兀，兀］區間內的相位值，即截斷相位。截斷相
點陣圖如圖２所示。
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圖２截斷相位
２）利用編碼光柵進行區域性相位整合
將四幅編碼圖案投射在物體上，形成黑白相問的二值條紋，將空間分為２８個區域；用攝像機攝取這些影象，進行二值化處理，得到四幅經物體表面調製後變形的編碼影象；根據各個點在不同影象中的值進行解碼，該解碼值是與該點所處的週期數相對應。編碼光柵的格雷碼編碼方法如圖３所示。
解碼過程：首先對前三幅編碼光柵按照格雷編碼進行解碼，得到ｋｌ（ｕ，ｖ）；再對四幅編碼光柵按照格雷編碼進行解碼，得到如（「，ｖ）；對步驟１）求得的截斷相位進行相位展開計算，得：
第３９卷第５期霍金城，等：部分編碼結構光三維測量技術的研究５９
一ｎ／２
（甜，ｖ）＝｛（甜甜，ｖ），一兀一
其中：「，為利用相移條紋計算的截斷相位值，，ｖ）為求得的區域性連續相位值，ｃｅｉ
ｌ（ｘ）代表向下取整數。
「，ｖ）
圖３格雷碼編碼
利用上面所述的編碼方法，可以將彼此相鄰的８根條紋根據式（１）進行整合，得到摺疊在［一兀，１５ｎ］區間
內的相位，其整合過程如圖４所示。整合後的相位與之前的截斷相位相比，條紋寬度增加，並且較為平緩，此時再利用比較相鄰兩個點相位值的方法對此相位圖進行展開，相位展開錯誤率大大降低。
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「，圖４條紋整合過程
（ａ）和（ｂ）是摺疊在［－，］區間內的相位值；（ｃ）和（ｄ）是編碼圖和編碼值；（ｅ）和（ｆ）是摺疊在［一ｔｃ，ｌ５ⅱ］區間內的相位值
一一ⅱ，１５ｒｅ］
３）相位展開
對摺疊在［一兀，１５ｎ］區間內的相位採取比較相鄰兩點相位值的方法作進～步的展開，相位展開演算法如圖５所示。設為相位展開起始點，、ｂ、ｃ、ｄ為周圍的四個相鄰點。首先，
我們在計算機中建立乙個佇列，放入即將進行相位展開的點，
（ｉ，ｒ
ｅ—『——一——ｃｊ
展開後的點被移出佇列，並作已展開標記。例如，假設點已ｔ
ｔ經展開，這時程式自動對點作已展開標記，點移出佇列，ｆ口
』並對點相鄰的四點進行判斷，沿逆時針方向將周圍未展開的點 、ｂ、ｃ、ｄ按照順序依次放入佇列中，然後對佇列出ｉｚｌ處的點進行展開：比較點與已展開點點之間的相位值，圖５相位展開演算法
如果點與點的差值小於ｌ＆ｒ，則ａ點的相位值應加上１６ｘ，
６２光電１二程２０１２年５月
［６］何定高，曹益平．基於相位測量輪廓術的復合光柵優化設計［ｊ］．光電工程
［８】任偉鋒，蘇顯渝，向立群．雙頻光柵用於動態過程破裂表面的三維重建［ｊ】＿光電工程
［１０】張吳明，鐘約先，由志福，等．基於結構光編碼的相展開方法［ｊ］．光學技術
［１２】李勇．相位測量輪廓術關鍵技術及應用研究［ｄ］．成都：四川大學，２００６．
［１３】宋ｚ－＆，蘇顯渝，曹益平，等．相位測量輪廓術中三維座標校準新方法［ｊ］．光學學報
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翻譯 基於結構光原理的高精度三維重建視覺系統
1.引言 結構光是目前三維從建技術的主要技術手段。它的最基本形式是由乙個投影儀和乙個攝像機組成，這兩種裝置都是普通的家用電器。它實際上就是利用從投影儀到目標物的照度編碼，這些編碼能夠在投影儀的模型產生平面和攝像機的成像平面之間建立對應的景象背影。這種照度編碼不僅是三位重建技術在目標物上的本質要求，而...
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關鍵詞 三維定位 整體安裝 模擬 誤差分析 精度評定 1 工程概述 南沙體育館外圍鋼結構有九塊造型各異 高低錯落的板塊構成，每榀主梁的尺寸 外形均不同，安裝的位置及高度不同，每根結構檁條的位置都隨主梁的造型而變化。體育館外殼飾面採用蜂窩鋁板裝飾，整個蜂窩鋁板裝飾麵分10個板塊。四周的9個板塊鋁龍骨都...
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