專利名稱：一種De Bruijn彩色結構光編碼圖像的中心彩色條紋的顏色聚類化方法
技術領域：
本發明涉及一種De Bruijn彩色結構光編碼圖像的中心彩色條紋的顏色聚類化方法，屬于計算機圖像處理技術領域。
背景技術：
光學三維測量技術指的是使用光學的手段測量物體的形貌，從而獲取物體形面的三維坐標數據，并以此數據對物體的形面做出判斷和評估，或對物體的三維形貌進行重建。 而基于結構光的三維重構系統是傳統立體視覺系統的一種改進與延伸。結構光法是將激光器或投影機等發出的光束經過光學系統形成某種形式的光，包括點、單線、多線、單圓、同心多圓、網格、十字交叉、灰度編碼圖案、顏色編碼圖案和隨機紋理投影等投向景物，在景物上形成圖案并由攝像機攝取，而后由圖像根據三角法和和相關設備的結構參數進行計算、得到景物表面的深度圖像，進一步計算出物面的三維坐標值。其中對結構光的編碼方法的研究已經有很多，時間編碼是使用最為廣泛第一種編碼方式。時間編碼是將多個不同的編碼圖案按時序先后投射到物體表面得到相應的編碼圖像序列，將編碼圖像序列組合起來進行解碼，從而解決投射圖案和采集圖像的對應問題，是目前分辨率最高、測量誤差最小的編碼方法，但其速度較低，不能快速實時地對物體進行重構。由于彩色圖像提供了比灰度圖像更為豐富的信息，且基于彩色結構光編碼測量速度快，可以實時地對物體進行重構。因此，基于彩色編碼的圖案法正受到人們越來越多的關注。哈爾濱理工大學李粉蘭等人提出了一種連續變化顏色編碼方案，顏色編碼圖案的顏色從紅、到綠、到藍呈線性變化，利用波長與相位位移之間的關系，建立其光平面的幾何位置與投影角之間的數學模型，從而實現用光波的波長(顏色)對其所在光平面的投影角的編碼。由于迪布魯英(De Bruijn)序列，具有預先的可確定性和可重復性，所以由迪布魯英偽隨機序列生成的彩色結構光編碼方法已成為了彩色結構光三維重構最廣泛應用的方法之一。在以往的研究中，彩色結構光編碼方法多用于空間編碼和直接編碼，而且大多數都能用于動態物體的測量，但由于受到CCD攝像機的顏色保真度及分辨率的影響，很容易受到CCD攝像機的影響而無法得到理想的效果和精度，不容易找到清晰的、無二義性的對應， 對三維物體的測量精度不高，很難用于精確物體的測量。同時，由于運用的顏色一般多于三種，容易出現顏色混淆不易識別的問題，而且通常采樣密度和分辨率都不高。彩色結構光的編碼方法和解碼技術在結構光的數據獲取中起著至關重要的作用而影響著系統的測量精度、速度和可靠性。
發明內容
為了準確地對De Bruijn彩色結構光編碼圖像的中心彩色條紋的顏色進行分類， 本發明提出一種De Bruijn彩色結構光編碼圖像的中心彩色條紋的顏色聚類化方法。一種De Bruijn彩色結構光編碼圖像的中心彩色條紋的顏色聚類化方法，其特征在于，該方法所需設備和實現步驟如下所需設備如
圖1所示，所需設備包括投影機1，投影屏幕2，攝像機3，計算機4，待測物體5 ；其中投影機1和攝像機3都通過電纜與計算機4連接。實現步驟步驟1、在計算機4中，利用具有隨機特性與確定性的De Bruijn偽隨機序列，產生一幅7元3級De Bruijn序列彩色結構光編碼圖像，該圖像背景顏色為黑色，其RGB值為 (0，0，0)，每條彩色條紋的寬度為一個像素，任意兩條相鄰彩色條紋顏色都不相同并且間隔 3個像素，7種顏色分別用ai; a2, a3, a4，a5, a6, a7表示，其中顏色ax的RGB值分別用rx，gx， bx 表示，χ = 1,2,. . . ,7 ；顏色 Ei1 的 RGB 值為(0，0，1)，顏色￡12 的 RGB 值為(0，1，0)，顏色￡13 的RGB值為(0，1,1),顏色ει4的RGB值為(1，0，0)，顏色ει5的RGB值為(1，0，1)，顏色ει6的 RGB 值為(1，1，0)，顏色 a7 的 RGB 值為(1，1，1)。步驟2、計算機4通過投影機1將步驟1中產生的De Brui jn序列彩色結構光編碼圖像經過待測物體5調制后投影到投影屏幕2上，生成調制后的投影圖像。步驟3、計算機4通過攝像機3拍攝步驟2生成的調制后的投影圖像，得到彩色結構光編碼圖片。步驟4、計算機4采用傳統的canny算法提取步驟3得到的彩色結構光編碼圖片中每條彩色條紋的上邊界和下邊界，再計算每條彩色條紋的上邊界和下邊界的中間位置， 得到每條彩色條紋的中心彩色條紋；設共得到m條中心彩色條紋，每條中心彩色條紋有η個像素點；在m行上依次排列每條中心彩色條紋的η個像素點的RGB值，得到由這些像素點的 RGB值構成的mXn階矩陣Z;矩陣Z的第i行第j列元素為Z(i，j) = (R(i，j)，G(i，j)， B(i，j))，其中R(i，j)、G(i，j)、B(i，j)為第i條中心彩色條紋的第j個像素點的RGB值， i = l，2，...，m，j = l，2，...，n;EZ(i，j，k)表示 Z(i，j)的第 k 個元素，k= 1，2，3。步驟5、根據公式Z(i，j) = Z(i，j)/255，對矩陣Z中的每個元素進行歸一化，i = 1，2，. . .，m，j = 1，2，. . .，n ；設Mtl表示所有中心彩色條紋中屬于第q種顏色的像素點的個數，設Mtl = 0，q = 1，2，. . .，7。步驟6、設點0在RGB顏色空間中的坐標為(0，0，0)，用0 (k)表示0的第k個元素， k = 1，2，3 ；構造7X3矩陣class，其第k行元素依次為rk, gk，bk，其中k = 1，2，. . .，7 ；并用class (i，j)表示矩陣class的第i行第j列元素，i = 1，2，· · ·，7 ； j = 1，2，3 ；根據公式class (i, j) = class(i, j) / (class (i, 1)'+class (i, 2) 2+clas (i，3)2)1/2 對矩陣 class的每一行上的元素進行單位化。步驟7、設 N, = 0，q = 1，2，. . .，7 ；構造矩陣 D，其中 D(i，j，s)表示 Z(i，j)到由點0和矩陣class第s行向量所表示的點相連所構成的直線的距離，所述距離的定義如下
權利要求
1. 一種De Bruijn彩色結構光編碼圖像的中心彩色條紋的顏色聚類化方法，其特征在于，該方法所需設備和實現步驟如下所需設備所需設備包括投影機(1)，投影屏幕0)，攝像機(3)，計算機G)，待測物體 (5)；其中投影機(1)和攝像機C3)都通過電纜與計算機(4)連接；步驟1、在計算機0)中，利用具有隨機特性與確定性的De Bruijn偽隨機序列，產生一幅7元3級De Bruijn序列彩色結構光編碼圖像，該圖像背景顏色為黑色，其RGB值為 (0，0，0)，每條彩色條紋的寬度為一個像素，任意兩條相鄰彩色條紋顏色都不相同并且間隔 3個像素，7種顏色分別用ai; a2, a3, a4，a5, a6, a7表示，其中顏色ax的RGB值分別用rx，gx， bx 表示，χ = 1,2,. . . ,7 ；顏色 Ei1 的 RGB 值為(0，0，1)，顏色￡12 的 RGB 值為(0，1，0)，顏色￡13 的RGB值為(0，1,1),顏色ει4的RGB值為(1，0，0)，顏色ει5的RGB值為(1，0，1)，顏色ει6的 RGB 值為(1，1，0)，顏色￡17的1 8值為(1,1,1)；步驟2、計算機(4)通過投影機(1)將步驟1中產生的De Bruijn序列彩色結構光編碼圖像經過待測物體( 調制后投影到投影屏幕( 上，生成調制后的投影圖像；步驟3、計算機(4)通過攝像機C3)拍攝步驟2生成的調制后的投影圖像，得到彩色結構光編碼圖片；步驟4、計算機(4)采用傳統的carmy算法提取步驟3得到的彩色結構光編碼圖片中每條彩色條紋的上邊界和下邊界，再計算每條彩色條紋的上邊界和下邊界的中間位置，得到每條彩色條紋的中心彩色條紋；設共得到m條中心彩色條紋，每條中心彩色條紋有η個像素點；在m行上依次排列每條中心彩色條紋的η個像素點的RGB值，得到由這些像素點的RGB 值構成的mXn階矩陣Ζ;矩陣Z的第i行第j列元素為Z(i，j) = (R(i，j)，G(i，j)，B(i， 」))，其中1^，」)、6(士，」)、8(土，j)為第i條中心彩色條紋的第j個像素點的RGB值，i = 1,2, ... ,m, j = l，2，...，n;EZ(i，j，k)表示 Z(i，j)的第 k 個元素，k= 1,2,3 ；步驟5、根據公式Z(i，j) =Z(i，j)/255，對矩陣Z中的每個元素進行歸一化，i = 1， 2，. . .，m，j = 1，2，. . .，n ；設Mq表示所有中心彩色條紋中屬于第q種顏色的像素點的個數， 設Mtl = 0，q = 1，2，. . .，7 ；步驟6、設點0在RGB顏色空間中的坐標為(0，0，0)，用0(k)表示0的第k個元素，k =1，2，3 ；構造7X3矩陣class，其第k行元素依次為！^，點，‘其中！^= 1,2,... ,7 ；并用 class (i, j)表示矩陣class的第i行第j列元素，i = 1,2,... ,7 ；j = 1，2，3;根據公式 class (i,j) = class(i, j)/(class(i, 1) 2+class (i, 2) 2+class (i, 3)2)1/2 對矩陣 class 的每一行上的元素進行單位化；步驟7、設Ntl = 0，q= 1,2,...,7 ；構造矩陣D，其中D (i，j, s)表示Z(i，j)到由點0 和矩陣class第s行向量所表示的點所構成的直線的距離，所述距離的定義如下其中 i = 1,2, . . . , m ； j = 1,2,…，n;s = 1,2,...,7;步驟 8、對固定 i，j 的 Z(i，j)，設 D(i，j，q)是{(D(i，j，l)，D(i，j，2)，D(i，j，3)，D(i， j，4)，D(i，j，5)，D(i，j，6)，D(i，j，7)}中的最小值且 q 值最小，Nq = Nq+1 ；如果 D(i，j, q)實現步驟D(i, j, s) =； (class(s, k) χ (Z(i, j, h) - 0(k)))f=0，那么D(i，j，q) = 0. 001 ；構造矩陣mini,，其中minljh，y)為矩陣mini,的第h行第 y 列元素，y = 1,2,3, minIq(Nq,l) = Z(i, j, 1), minIq(Nq, 2) = Z(i, j, 2), minIq(Nq, 3)=Z(i，j，3)；構造向量 minD,，其中 minD^i)表示向量 minD,的第 i 個元素，HiinDtl(Ntl) =D(i， j，q)；對i = 1，2，...，m，j = 1，2，...，n，重復步驟8中的上述過程；設共構造了 t個向量 minD,;如果對于每一個q = 1，2，. . .，7都有Nq = Mq，那么一種De Brui jn彩色結構光編碼圖像的中心彩色條紋的顏色聚類化方法結束，否則繼續執行步驟9 ；步驟9、對q = 1，2，. . .，7，若已得到minD,，則根據下列公式構造矩陣Eq，其中Eq (i，j) 為矩陣Etl第i行第j列元素，
全文摘要
本發明提出一種De Bruijn彩色結構光編碼圖像的中心彩色條紋的顏色聚類化方法，屬于計算機圖像處理技術領域。本發明采用聚類分析方法，對彩色結構光編碼圖片的每一條中心彩色條紋上的每一個像素點的顏色進行聚類化。本發明適用于每類顏色的像素點成線性分布的彩色結構光編碼圖片，能夠有效地提高確定中心彩色條紋顏色的準確性。
文檔編號G06T7/40GK102184555SQ20111008091
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月1日 優先權日2011年4月1日
發明者丁瑩, 姜會林, 李明勛, 楊華民, 范靜濤, 韓成 申請人:長春理工大學