双目格雷码结构光三维测量系统原理解析

背景

比较经典的光学三维测量方法有：双目立体视觉、线激光扫描、格雷码结构光、相移结构光。立体匹配方法误匹配点较多，线激光方法扫描速度慢，相移结构光方法计算效率低，而格雷码方法基本具有以上一个方法的所有优势，唯一的缺点是解码精度为像素级，大大限制了测量精度的提高。尽管如此，该方法还是受到了非常广泛的应用。

原理

本文介绍的是一种基于格雷码结构光和双目立体视觉的三维测量系统，该测量系统可以避免传统单相机-投影仪测量系统中标定投影仪的过程，提高三维测量精度。该测量系统由两个相机和一个光栅投射器组成，测量时通过向被测物体投射格雷码编码图案（如图1、2所示），然后由两个相机同时拍摄格雷码序列图案；根据所拍摄的格雷码序列图案进行解码，结合立体视觉极线约束确定左右相机的对应性关系；最后，根据预先标定好的系统参数通过三角测量法计算三维坐标。

图1 双目结构光系统示意图图2 实际的双目结构光三维测量系统

算法流程

1.系统标定（单相机标定和立体视觉系统标定）；
2.立体视觉校正；
3.格雷码编解码
格雷码介绍
典型的二进制格雷码（Binary Gray Code）简称格雷码，因1953年公开的弗兰克•格雷专利“Pulse Code Communication”而得名。它是在二值编码法的基础上发展而来的，与其他编码方式相比，它的一大优点是任意两个相邻码组只有一位二进制数不同，这就使得在解码时能够将解码误差范围缩小在相邻一位，大大增强编码结构光方法的解码精度，比如：000，001，011，010，110，111，101，100即为一组Gray码，其对应的十进制数分别是：0,1,2,3,4,5,6,7；另一大优点是最大码组和最小码组之间也仅一位不同，即该编码序列“首尾相连”，因此又称循环码或反射码。格雷码编码法所具有的上述优势，很大程度上减少了编码结构光方法在解码时的状态错乱，同时也大大提高了其抗干扰能力和稳定性。
广义的格雷码编码不仅仅指的是二进制格雷码，它也包含多值格雷码。在投射相同数量编码图像的前提下，采用的灰度级数越多，解码的分辨率越高。如图3所示，显示的是解码分辨率为16时二进制格雷码和八进制格雷码所需要的编码。对于二进制格雷码，需要投射四张图片；而对于八进制格雷码，则需要投射两张图片。格雷码可以通过低位格雷码递推得到，由图3可知，二值格雷码在非最高位是上下对称的，在高位上是分立不同的。对于任何n位和n-1位二值格雷码这一规律都是成立的。同理，对于多值格雷码亦是如此。

图3 格雷码编码

编码解码

图4 格雷码编码解码伪代码

4.根据格雷码编码约束条件和立体视觉极线约束确定左右相机的对应性；
5.三维重建。

效果展示

大家好，我主要的研究方向有：
1）主流的结构光三维测量方法，包括：线扫，格雷码，相移，散斑等；
2）摄像机标定和投影仪标定；
3）点云处理；
4）图像处理；
5）Halcon应用；
6）机器视觉相机选型。
对以上研究方向感兴趣的朋友可以关注我的微信公众号：