原創(chuàng) | 文 BFT機器人

01

全幀空間變化的顏色模式

順序投影技術(shù)的主要缺點包括無法獲取動態(tài)運動中的3D物體或活體物體（如人體部位）。我們現(xiàn)在提出了幾種單鏡頭三維表面成像技術(shù)，這些技術(shù)利用了投影模式中的顏色信息或獨特的編碼方案，只需要在彩色模式照明下獲得一幅物體圖像，就可以獲得場景中每個可見點的（x，y，z）坐標的全幀3D圖像。

1.1彩虹3D相機

傳統(tǒng)的立體圖像必須從一對立體圖像中提取相應(yīng)的特征來計算深度值，而彩虹3D相機則不同，它將空間變化的波長照明投射到物體表面。彩虹光投影儀的固定幾何形狀在光平面的投影角度θ與特定光譜波長λ之間建立了一對一的對應(yīng)關(guān)系，從而在每個表面點上提供易于識別的地標。在已知基線B和已知視角α的情況下，可以使用簡單的三角測量原理計算每個像素對應(yīng)的三維距離值，并以相機的幀速率（30幀/秒或更快）在單次快照中獲得全幀的三維距離圖像。

1.2?連續(xù)變化顏色編碼

可以組合各種連續(xù)變化的顏色圖案來編碼空間位置信息。例如，我們可以為投影儀的每個顏色通道構(gòu)建一個強度變化模式，這樣，當將單個顏色通道中的這些模式加在一起時，就形成了一個連續(xù)變化的顏色模式。

圖2顯示了三個加性原色通道的強度變化模式的示例。當它們加在一起時，就形成了彩虹狀的彩色投影圖案。請注意，這種類型的顏色圖案不一定遵循彩色光譜（波長）的線性變化關(guān)系。然而，由于每個顏色通道的貢獻比例是已知的，解碼方案很容易推導(dǎo)和實現(xiàn)。

02

條帶索引（單次）

條紋索引對于實現(xiàn)穩(wěn)健的三維表面重建是必要的，因為觀察條紋的順序不一定與條紋投影的順序相同。這是由于基于三角剖分的三維表面成像系統(tǒng)存在固有的視差，并且由于物體三維表面特征的遮擋，所獲取的圖像可能會丟失條紋。我們現(xiàn)在提出了一些有代表性的條帶索引技術(shù)。

2.1 使用顏色的條帶索引

彩色圖像傳感器通常有三個獨立的采集通道，每個通道對應(yīng)一個頻譜帶。這些顏色分量的值的線性組合可以產(chǎn)生無限數(shù)量的顏色。三個8位通道可以表示224種不同的顏色。如此豐富的彩色信息可用于提高三維成像精度和減少采集時間。

例如，在投影模式中使用顏色進行條紋索引（圖3）可以幫助緩解使用單色模式的相移或多條紋技術(shù)所面臨的歧義問題。這種彩色編碼系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時三維表面成像能力。

還可以將多個圖案編碼為單個彩色投影圖像，每個圖案在顏色空間中具有唯一的顏色值。為了降低解碼錯誤率，可以選擇一個顏色集，其中每個顏色與集合中任何其他顏色的距離最大。該集合中的最大顏色數(shù)被限制為在獲取的圖像中產(chǎn)生最小串擾的顏色之間的距離。

2.2 使用分段模式的分條索引

為了區(qū)分不同的條紋，可以在每個條紋中添加一些獨特的片段模式（圖4），以便在進行三維重建時，算法可以使用每個條紋的獨特片段模式來區(qū)分它們。

【2】中提出的這種索引方法很有趣，也很聰明，但它只適用于表面光滑連續(xù)的三維物體，當表面形狀造成的圖案畸變不嚴重時。否則，由于圖案的變形和/或物體表面的不連續(xù)，可能很難恢復(fù)唯一的片段圖案。

2.3 使用重復(fù)灰度模式的條紋索引

如果使用兩個以上的強度級別，則可以安排條紋的強度級別，使任何一組條紋（N條的滑動窗口）在一段長度內(nèi)具有唯一的強度模式。例如，如果使用三個灰度級（黑色、灰色和白色），則可以將圖案設(shè)計為（圖5）

模式匹配過程從獲得的圖像強度與投影強度模式的相關(guān)性開始。一旦找到匹配項，就對次灰度級序列匹配執(zhí)行進一步搜索，例如三字母序列WGB、GWB等。

2.4 基于De Bruijn序列的條帶索引

在大小為k的字母表上，秩為n的De Bruijn序列是一個循環(huán)單詞，其中長度為n的kn個單詞中的每一個在我們沿著循環(huán)行進時恰好出現(xiàn)一次。

圖6所示為n = 3, k = 2（字母為{0,1}）的德布魯因圓的簡單示例。當我們沿著這個循環(huán)（順時針或逆時針）運行時，我們將會遇到23 = 8個三位數(shù)模式000、001、010、011、100、101、110、111中的每一個恰好一次。

序列中沒有重復(fù)的三位數(shù)模式。換句話說，沒有子序列與De Bruijn序列中的任何子序列相關(guān)。De Bruijn序列的這一獨特特征可用于構(gòu)建具有獨特的局部變異模式且不重復(fù)的條紋模式序列。這種唯一性使得模式解碼變得更容易。與De Bruijn序列相關(guān)聯(lián)的圖稱為De Bruijn圖。

現(xiàn)在展示一個使用（R, G, B）顏色的二進制組合來生成基于De Bruijn序列的顏色索引條紋的例子。

三種顏色的最大組合數(shù)是8（=23）。因為不打算使用（0,0,0），所以只有七種可能的顏色。

這個問題可以通過構(gòu)造一個k = 7, n = 3的De Bruijn序列來解決。這就得到了一個343條條紋的序列。如果條紋數(shù)過多，可以通過設(shè)置k = 5，n = 3來使用De Bruijn序列的約簡集。在這種情況下，條紋的數(shù)量減少到125。

在使用De Bruijn技術(shù)構(gòu)造顏色索引條紋序列時，有一個重要的約束條件：所有相鄰的條紋必須具有不同的顏色。否則，會出現(xiàn)兩倍或三倍寬度的條紋，使三維重建算法混亂?？梢酝ㄟ^使用異或操作符輕松地應(yīng)用此約束。

圖7顯示了一組具有實際顏色索引條紋模式的結(jié)果。在這個條紋序列中，所有相鄰的條紋都有不同的顏色。De Bruijn技術(shù)實現(xiàn)的各種變體可用于生成獨特的顏色索引，灰度索引或其他類型的3D表面成像應(yīng)用投影模式。

參考文獻：

[1] Geng J .Structured-light 3D surface imaging: atutorial[J].Advances in Optics & Photonics, 2011, 3(2):128-160.DOI:10.1364/AOP.3.000128.

[2] M. Maruyama and S. Abe, “Range sensing by projecting multiple slits?with random cuts,” IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 15(6), 647–651?(1993)

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