1 武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081
2 武汉科技大学机器人与智能系统研究院，湖北 武汉 430081
在充分兼顾嵌入式三维测量系统对高效性、集成性、通用性以及灵活性等需求的基础上，设计了一种由3个异构核心构成的结构光三维测量系统架构。该多核异构架构层次清晰、结构灵活、通用性强，能兼容多种通用接口的光学器件（相机、投影仪等）。在此架构基础上，结合现场可编程门阵列并行流水优化方法，设计并实现了一种涵盖相位解调、解包裹以及相位深度映射等模块的全流程结构光三维测量系统。实验结果表明，所提方法在测量精度与传统PC平台相当的情况下，大大提高了测量效率，处理13幅1280×800分辨率的图像仅需12 ms，是同类算法在传统PC平台上的11倍。
测量 多核异构 结构光 相移轮廓术 互补格雷码 激光与光电子学进展
2023, 60(14): 1412002
提出一种基于时间复用编码的高效、强鲁棒性结构光三维测量方法，通过在时间序列上重新设计排布相移与编码图案，充分利用高速记录的相邻图像时序信息的关联性，将重建一个三维结果所需的投影序列图案数量降至3幅，提高了测量的编码和重建效率。同时，利用通用分区间相位展开方法，提前避免级次跳变错误的产生，保证了测量的鲁棒性。分析比较了二值格雷码和多灰度格雷码两类编码方案在该方法下的优势以及适用场景。实验结果表明：所提方法每多获取3幅条纹图案就能重建一个新的三维结果，能实现3174 frame·s-1的高速三维形貌重建；二值格雷码编码方法的鲁棒性和抗噪声能力更强，适用于拍摄速度远高于物体运动速度的复杂高噪声动态场景，而以四灰度格雷码编码方法为代表的多灰度格雷码编码方法的抗运动模糊能力更强，适用于重建运动速度较快但环境噪声较低的动态场景。
测量 结构光投影 动态三维形貌 格雷码 时间复用
针对格雷码相移条纹投影三维测量中相位展开易出现跳跃错误的问题, 提出一种连续相位自适应补偿方法。该方法基于双目结构光三维测量系统, 采用相移法结合正反格雷码的方法得到待测物体的连续相位图, 在连续相位图上搜寻错误像素点, 最后利用改进的自适应中值滤波方法来补偿相位展开出现的跳跃错误像素点以及噪声和阴影生成的无效像素点。实验结果表明:连续相位自适应补偿方法相对于传统格雷码相移法以及在连续相位图使用固定值中值滤波方法能够补偿连续相位图中大部分的错误像素点,并尽可能地保留待测物体的细节, 提高了三维形貌测量的稳定性和精度。
三维测量 相移法 格雷码 自适应补偿 连续相位 3D measurement phase-shifting gray code adaptive compensation continuous phase
为了解决基于相位编码的三维形貌测量方法在对高频条纹截断相位进行相位展开时易出现误码的问题，提出了一种分段阶梯相位编码方法。用一级阶梯码字对另一级分段阶梯码字的分段数进行编码，投影两组相位编码条纹分别获取两级码字后，再投影额外的两帧错位格雷码，分别获取与这两级码字错位半个阶梯的码字。利用错位码字与原码字易出现误码位置的不同，选用不同的码字进行互补解码，从而获得更加可靠的条纹级次重建三维结果。实验结果表明，所提方法的码字重建结果不易出错。在使用相同数量辅助图案情况下，所提方法能比互补格雷码编码方法标记更多的投影条纹周期，可以辅助更高频率正弦条纹实现对复杂物体形貌的准确三维面形测量。
三维形貌测量 条纹投影 相位编码 格雷码 相位展开 激光与光电子学进展
2022, 59(14): 1415012
格雷码辅助相移技术可以实现具有较强鲁棒性与抗噪能力的三维(3D)形貌测量。为解决由待测物体不均匀的表面反射率、噪声和物体运动等因素造成的级次边沿误码问题,提出了一种基于错位格雷码的动态3D形貌测量方法。将传统格雷码图案在投影前预先移动半个条纹周期得到错位格雷码图案,再采用传统格雷码解码方法对二值化后的错位格雷码图案解码,可得到与截断相位完全错开的解码结果。对该解码结果进行修正后即可利用得到的正确的相位级次辅助截断相位成功展开。同时,为了提高测量精度,引入了一个虚拟相位平面以进一步拓展投影条纹周期数。实验结果表明,所提方法在使用N帧格雷码图案的情况下,可以编码周期数为2N+1的投影条纹进行3D测量,其无需任何附加图案即可避免级次边沿误码问题,并有效提升了测量精度。复杂动态场景的3D重建结果证明,所提方法能够以2381 frame/s的速率实现高精度、高效率和高速的3D形貌测量。
测量 错位格雷码 级次边沿误码 周期数拓展 相位展开
西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031
随着三维测量技术的成熟，非接触式三维（3D）掌纹采集系统为掌纹识别的研究提供了新的途径。为了提高3D掌纹信息的采集精度，提出一种融合双目立体视觉与结构光的便携式非接触3D掌纹采集系统。首先将编码图案投影到目标手掌表面，使用双目相机获取左右视图后，采用格雷码-相移法获取目标的绝对相位信息，然后引入波义耳摩尔投票算法进行最大概率校正以降低视差图中的跳变噪声，经过亚像素级立体匹配和双目相机的立体标定后，得到3D掌纹信息。最后在自行搭建的一套便携式3D掌纹采集系统上进行实验，实验结果表明，该方法相比于传统基于双目立体视觉的3D掌纹采集系统，能提高掌纹的采集精度，获得更好的三维掌纹重建效果。
图像处理 双目立体视觉 结构光 格雷码-相移法 立体匹配 三维掌纹采集 激光与光电子学进展
2022, 59(4): 0410016
1 西安理工大学 印刷包装与数字媒体学院，西安 710048
2 中国科学院 西安光学精密机械研究所 光谱成像技术重点实验室，西安 710119
编码结构光技术是一种获取复杂目标三维结构的典型测量技术，其将编码后的结构光图案投射到待测物体表面进行调制、采集，并通过解码计算三维面形数据，可见编码方法是结构光三维测量技术的核心问题。然而，通用的格雷码编码方法和六步相移编码方法都存在一定缺陷，为此，以获取物体的高精度三维点云数据为目标，提出了一种融合格雷码与六步相移的结构光技术。首先，将格雷码结构光设计为7幅黑白相间的条纹周期图像，并通过投射角度解码操作将图像划分为多个区域；然后，设计六步相移结构光为6幅具有相位差的余弦周期图像，通过相位解包裹操作将每个子区域细分到单个像素单元；最后，融合以上两种编码结构光解码值，计算图像内每个空间点的绝对相位信息。仿真实验与实际测试实验显示，与传统六幅莫尔条纹结构光技术相比，融合结构光技术计算量较小，同时也克服了单独使用格雷码或相移技术所存在的问题，能够以较高精度获取物体目标的三维结构细节，为基于结构光的双目三维扫描系统提供一定理论依据。
三角测量原理 六步相移 格雷码 结构光 三维点云 principle of triangulation six-step phase shift Gray code structured light cloud point 强激光与粒子束
2021, 33(2): 021004
格雷码辅助实现的相位测量轮廓术具有较好的鲁棒性和抗噪能力,是三维测量领域的一个研究热点。在已有测量方法的基础上,提出了一种把格雷码嵌入相移条纹进行复合图案投影的三维面形测量方法,通过将传统的3幅格雷码图案整体向右移动半个条纹周期,共得到6幅格雷码图,将其交替嵌入三组相同的四步相移条纹中并结合二值离焦技术依次进行投影。通过拍摄得到一系列变形复合条纹图案后,沿时序综合前后三组变形复合图案信息并进行解码,从而获得两组错位的条纹级次,这可从源头上避免格雷码级次边沿的错误;同时采用传统相移算法计算得到对应的截断相位分布,时序上的综合解码结果可用于指导截断相位产生并重建被测物体的三维面形信息。静态和动态场景的三维测量实验结果验证了该方法的可靠性、高效性和鲁棒性。该方法每多记录5幅图案就可以对应新重建出一个三维面形,在高速动态三维测量中具有较好的实用性。
测量 位移格雷码 四步相移 级次边沿误差 动态测量
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室, 上海 20008
3 中国科学院大学 研究生院, 北京 100049
大面阵焦平面成像探测器需要具有随机开窗和反转读出功能, 同时需要降低功耗。文章基于标准数字电路设计流程。设计了一种新型的基于格雷码编码规律的寻址计数器, 用于对阵列的行地址和列地址进行寻址, 提高了寻址的可靠性。对设计进行RTL级仿真, 结果表明该设计能够实现任意开窗和反转读出功能。采用TSMC90工艺库对1024×1024阵列规模的RTL级设计进行分析计算, 结果显示供电电压为3.3V时, 寻址计数器功耗仅为19.56μW,整体设计功耗仅为58.75μW, 适用于大面阵焦平面读出电路的设计。
格雷码 任意开窗 反转读出 读出电路 Gray code dynamic windowing readout dynamic image transposition ROIC
