基于结构光时间编码法简介
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于结构光时间编码法简介范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：时间编码法的优点是具有较高的分辨率和准确度，被越来越多的应用在结构光三维测量系统中，编码方法关系到投影图案的摄取及投影图像中对应点匹配的精度和速度，是快速准确地获取三维场景信息的关键。简要介绍了编码结构光三维视觉的基本原理，并主要对二灰度级编码方法方法进行详述，分析此方法的优点和局限性，对今后格雷码的研究方向进行了展望。
关键词：时间编码法 二值编码 格雷码
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)006-111-02
时间编码结构光法是将编码产生的不同图案按时间顺序经过光学系统依次投向待测物，在待测物上形成相应的调制图案并由摄像机摄取，再由调制图案根据三角法和传感器结构参数进行计算、得到待测物表面的深度信息，进一步计算出物面的三维坐标值。
1 测量系统简介
基本的结构光系统由投影系统、成像系统及数据获取及处理系统组成，三者的位置相对固定，图1为结构光系统测量系统构成示意图，测量过程为：(1)由投影系统投出编码图案，成像于待测物体表面：(2)成像系统拍摄被编码图案覆盖的待测表面；(3)计算机接收图像数据，对图像进行一些预处理，再根据一定的图像处理技术和相应的算法，计算出所获取的物体表面的三维数据。
2 时间编码
时间编码法使用较少种类的色彩或者较少级别的灰度值编码投射图案，为了使编码单元的数量变小，在测量中可以投射多幅宽度不同的垂直条纹，采用简单的系列数据容易区分彼此；连续投射在物体表面的编码图案具有粗定位模式，像素值编码更准确容易，以上两点使得编码方法有较高的测量精度。另外由于编码法能够较准确的区分不同的灰度级别或者色彩：而且每个点的位置能够精确的用编码表示，编码法在三维扫描中具有较高的扫描精度，较大的扫描密度。
目前时间多路编码策略主要分为以下三种：(1)二灰度级编码方法；(2)多灰度级编码方法；(3)组合编码方法。本文主要叙述二灰度级编码法。
2.1 二灰度级编码
二灰度级编码主要有普通二值码和格雷码。对投射图案上的垂直条纹二灰度级编码用黑白两种色彩来进行编码。1981年，Altschuler和Posdamer首次提出了这种方法。对于要投影的条纹图案，1来表示白色条纹，用0来表示黑色条纹，如果有m幅图案依次投影，用m位0和1组成的二进制数来表示每条条纹，这样就可以对2m条条纹使用简单的二进制数字进行编码。二进制编码法的缺点在于需要投射许多幅图案，如果增加图案的灰度值来编码，编码图案会减少但增加解码难度，且灰度二值码任意两相邻码值之间可能有多位不同且各位权重不同，导致解码时，任意图像采样点在各幅编码图像中可能有多次处于条纹边缘，因此其码值可能多位被误判，且若误判存在于高位则引起的解码误差大。
2.2 格雷码
早在1880年法国工程师Jean-Maurice-Emlle Baudot就对灰度二值编码进行改良，发明出格雷码(Gray Code)，1953年因为Frank Gray申请专利而得名，格雷码最初是用来处理最小化模拟信号与数字信号的转换错误，随着科技的发展，如今格雷码越来越多的应用在通信及工业自动化等许多方面。
格雷码是一种可靠性的编码方式，采用绝对编码方式可以把解码错误最小化。在数字系统中格雷码只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能处理，具有反射特性和循环特性的单步自补性，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。保证只有一位解码错误时，仅产生一个码位宽度的偏移。
2.2.1 自然二进制码转换成二进制格雷码
自然二进制码转换成二进制格雷码，其法则是保留自然二进制码的最高位作为格雷码的最高位，而次高位格雷码为二进制码的高位与次高位相异或，而格雷码其余各位与次高位的求法相类似。
2.2.2 二进制格雷码转换成自然二进制码
二进制格雷码转换成自然二进制码，其法则是保留格雷码的最高位作为自然二进制码的最高位，而次高位自然二进制码为高位自然二进制码与次高位格雷码相异或，而自然二进制码的其余各位与次高位自然二进制码的求法相类似。
2.3 格雷码法结合相移或线移
同样格雷码法也存在着一定的缺点，格雷码法只能对投射角扫描空间进行离散划分，并采用划分投射角中最小的投射角区域中线作为所有采样点的投射角，导致区域以外的采样点投射角不能被精确求的：且为了保证足够的采样点数需要增加投射图案的条数，但是宽度细的条纹很容易受噪声的干扰，使解码过程产生大的偏差，所以在实际应用中不能只采用格雷码编码方式，还应结合其它编码方法来保证足够的采样精度。
为有效解决格雷码周期信号二义性问题，Bergman最早提出格雷码与相移法结合的方法，同时提高了空间分辨率。Guhring在2001年提出格雷码与线移法相结合的方法来避免相移法难以解相及重建表面存在从白到黑的骤变时，相位无法被精确的确定若干缺点，线移法即将一个多条纹编码图案每次按一个条纹宽度移动若干次来代替正弦周期图案的方法。2008年，Yang等使用一架投影仪和两架摄像机同时拍摄调制图像，匹配两幅图像的对应点来计算被测物的三维信息。通过格雷码与条纹中心位置信息结合的方法，解决了Guhring使用。的方法中存在的解码错误问题，具有更好的鲁棒性和精确性。
3 总结
时间多路编码策略通常可以使用较少的色彩对投影图案进行编码，能够获得较高的扫描精度，较高的扫描密度，而且解码过程简单。通过比较二灰度级编码和格雷码，可以看到格雷码作为一种绝对编码方法的优势。实际上，具体应用中选择的编码方法往往是两种或多种方法的组合，不必拘泥于一种方法。近年来大量的编码研究表明，此方法改进的总体趋势是在保证或提高精度和鲁棒性的前提下，改善动态场景和变形场景的实时性，并进一步减少投影图案数目和提高算法解码精度与速度。
注释：
①王鹏，光栅投影三维轮廓测量技术标定方法的研究[D]，西安：西安科技大学，2006
②于小洋，单鹂娜，曹沈楠等，结构光时间编码技术进展[J]，哈尔滨理工大学学报，第15卷第1期，2010年2月
③J.L.Posdamer， M.D.Altschuler， Surface measurement by spa- ce-encoded projected beam systems， Computer Graphics and Image Processing. 1982，18(1): 1-17.
④Bouwens A J. Digital instrumentation [C].New York: McGraw-Hill Book Company Inc， 1984.
⑤李玉欣，基于编码结构光的三维视觉测量系统研究[D]，上海交通大学研究生论文，2009
⑥Dalit Caspi，Nahum Kiryati et al. Range Imaging With Adap- tive Color Structured Light. IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence， 1998，20(5):470-48 I.