[发明专利]一种基于灰度矩的面结构光系统亚像素精度解码方法

权利要求书

1.一种基于灰度矩的面结构光系统亚像素精度解码方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)使用条纹编码方法设计面结构光投影图案，通过投影仪将投影图案投射到被测物体表面，同时用照相机拍摄形变后的投影图案获得编码图像；

(b)将编码图像作为目标图像进行Canny算子边缘检测，获得目标图像的像素级边缘点；

(c)根据Canny算子获得的像素级边缘点，将每个像素级边缘点邻域的7*7像素小块提取出来，并对该像素小块使用灰度矩的方法，检测像素小块内的亚像素级边缘，具体为：根据该像素小块的灰度值，估计出该像素小块的0阶、1阶、2阶和3阶灰度矩，由于灰度矩的值受像素小块内的灰度值所影响，所以根据像素小块内的前3阶灰度矩推算出像素小块内灰度分界的位置，由此得到亚像素边缘所处的位置，从而使解码操作达到亚像素精度。

2.根据权利要求1所述的基于灰度矩的面结构光系统亚像素精度解码方法，其特征在于，所述步骤(a)中，可以采用二值编码方法、灰度编码方法、二值格雷码编码方法等条纹编码方法对投影图案进行编码设计，获得一个投影图案序列，并将这些图案依次投影至被测物体表面，由物体形状的影响，照射在物体上的投影图案会产生形变，用照相机拍摄获得编码图像。

3.根据权利要求1所述的基于灰度矩的面结构光系统亚像素精度解码方法，其特征在于，所述步骤(b)中，Canny算子边缘检测包含以下步骤：运用高斯滤波器对编码图像进行平滑滤波，减少噪声的影响；用一阶边缘差分算子计算梯度幅值和方向；对梯度幅值进行非极大值抑制，即在梯度方向上只选择梯度最大的点作为候选边缘点；用双阈值算法检测和连接边缘。

4.根据权利要求1所述的基于灰度矩的面结构光系统亚像素精度解码方法，其特征在于，所述步骤(c)具体如下：

(1)将二维连续函数f(x,y)的k阶灰度矩m_k表示为公式(1)，S为积分区域的面积：

假设在单位圆O中存在一条边缘，该边缘同侧区域内的灰度值均相同，分别记其两侧的灰度值为h1和h2，并设h1<h2；以ρ表示边缘到圆心O的距离，θ表示圆心到该边缘的垂线与x轴的夹角，α表示该边缘所对应的圆心角的一半，S₂表示阴影区域的面积，S₁表示非阴影区域的面积，p1和p2分别表示灰度值为h1和h2的区域在圆内所占的比例；圆内的k阶灰度矩表示为：

其中：

p1+p2＝1 (3)

p2＝S₂/π (4)

(2)根据公式(2)，将k＝0,1,2,3分别带入，得到圆内的前3阶灰度矩：

该组方程中有4个未知数：p1，p2，h1，h2，解算出其解为：

其中：

(3)S₂的面积用几何的方法算出：

S₂＝α-sinαcosα＝α-1/2sin 2α (9)

令p＝min(p1,p2)，则有：

α-1/2sin 2α＝πp (10)

求解该方程得到α，计算出边缘到圆心O的距离：

ρ＝cosα (11)

计算圆心到该边缘的垂线与x轴的夹角θ；单位圆内的灰度重心(x₀,y₀)为：

那么有：

(4)选取Canny算子获得的一个像素级边缘点，并将其7*7邻域内的像素小块提取出来，作为解码区域，记为Σ；对于解码区域Σ，其k阶灰度矩表示为公式(16)，其中I(x,y)表示数字图像在像素点(x,y)处的灰度值，n为解码区域中像素个数：

(5)对解码区域Σ进行灰度矩估计：将解码区域Σ对应到一个半径为1的单位圆内，圆心在Σ的中心，单位圆内的灰度矩表示为：

其中，I_j表示解码区域中第j小块的像素值，w_j表示解码区域中第j小块对应的权值，即该小块内阴影部分的面积占单位圆面积的比例；

将w_j构成的权值矩阵w转换为一个卷积核，通过图像卷积操作估计出解码区域的灰度矩；

(6)估算出解码区域的灰度矩后，根据公式(5)-(8)计算出p1，p2，h1，h2；根据公式(10)-(11)计算出边缘到圆心O的距离ρ；对于数字图像，其灰度重心可以表示为：

根据公式(14)-(15)计算圆心到该边缘的垂线与x轴的夹角θ；由此，可以得到边缘直线方程如下：

根据公式(20)，可以定位到亚像素级别的边缘，具有亚像素级解码精度；

(7)根据以上得到的亚像素边缘进行解码操作，可以得到高精度面结构光测量结果。