CMOS 傳感器在可編碼三維測量中的應(yīng)用*

王長璟，楊秋翔，劉晴晴

(中北大學(xué) 計算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原030051)

0 引 言

近年來，基于計算機(jī)和光電技術(shù)的三維測量［1］技術(shù)已經(jīng)得到了較快的發(fā)展，形成了較完善的體系，目前的研究熱點致力于提高三維測量的精度和速度以及一些特殊環(huán)境測量的研究，并取得了一定的研究成果。

在編碼結(jié)構(gòu)光三維測量［2］方法中，三維測量精度的高低是衡量一個三維測量方法好壞的重要指標(biāo)。為解決光柵交界處像素點編碼錯誤的問題，本文提出了一種可糾錯的編碼光柵方法，使編碼光柵本身具有可糾錯性，對誤碼問題進(jìn)行檢測和糾正。

1 三維測量系統(tǒng)

本文采用可糾錯編碼的結(jié)構(gòu)光編碼光柵測量方法，屬于非接觸主動式三維測量方法的一種，非接觸式三維測量方法是指將一定的光柵或者聲波發(fā)送到物體表面，然后通過CMOS 圖像采集傳感器進(jìn)行采集［3］，再使用適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃退惴?，求取物體表面的三維信息［4］。主動式三維測量方法是指利用一個專門的光源裝置，而不是采用被測環(huán)境中存在的自然光。

使用的三維測量統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)光投射器［5］、CMOS 傳感器［6］以及PC 構(gòu)成。其中，CMOS 傳感器采用DHHV1351UM 攝像機(jī)，尺寸為54.5 mm×54.5 mm×46.1 mm，分辨率為1 280×1 024，像素尺寸為5.2 μm×5.2 μm，功耗為1.75 W。

1.1 硬 件

硬件條件包括:計算機(jī)、結(jié)構(gòu)光投射器、CMOS 傳感器、黑白棋盤標(biāo)定板、光滑的平面。

1)計算機(jī):對CMOS 傳感器采集到的圖像進(jìn)行處理。

2)結(jié)構(gòu)光投射器:向被測物體投影結(jié)構(gòu)光編碼光柵圖案和標(biāo)準(zhǔn)正弦光柵條紋圖案。

3)CMOS 傳感器:大恒DH—HV1351UM 攝像機(jī)，負(fù)責(zé)圖像采集。

4)黑白棋盤標(biāo)定板:對雙目攝像機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

5)光滑的平面:被測物體。

1.2 軟 件

軟件為Matlab 2012 軟件和圖像采集系統(tǒng)。

圖像采集系統(tǒng)采用的是大恒圖像公司提供的圖像采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了單幀采集和連續(xù)采集兩種方式，可以同時對多個圖像傳感器(DH—HV1351UM 攝像機(jī))進(jìn)行采集，本文采用的是單幀采集模式，主要是采集投影在被測物體上的圖像和黑白棋盤標(biāo)定板的不同空間位置的圖像。

Matlab 2012 軟件主要是用來產(chǎn)生編碼光柵條紋圖和標(biāo)準(zhǔn)正弦光柵及實現(xiàn)四步相移，并對采集的圖像進(jìn)行處理，求取相位值，攝像機(jī)標(biāo)定［7］求取系統(tǒng)參數(shù)等。

1.3 平臺搭建

為確保雙目相機(jī)的三維測量采集到具有較高的質(zhì)量的圖片，一是調(diào)整攝像機(jī)的位置和高度，確保被測物體在左右相機(jī)的拍攝范圍內(nèi);二是調(diào)整攝像機(jī)的焦距和明暗程度，保證采集的圖片清晰。此外，還要調(diào)整結(jié)構(gòu)光投射器，保證投射圖像的質(zhì)量。實驗平臺如圖1 所示。

圖1 實驗平臺Fig 1 Experiment platform

2 可糾錯的光柵條紋編碼方法

為了解決基于格雷碼的結(jié)構(gòu)光光柵編碼方法在實際測量中出現(xiàn)的黑白光柵交界處的誤碼問題，設(shè)計了一種基于漢明線性分組碼的可糾錯結(jié)構(gòu)光光柵編碼方案［8］。漢明碼是1950 年由漢明首先構(gòu)造的［9］，用以糾正單個錯誤的線性分組碼，由于漢明碼編碼非常簡單，易于實現(xiàn)，被廣泛使用在計算機(jī)和通信領(lǐng)域。

2.1 漢明碼

漢明碼(n，k，d)中參數(shù)滿足:n=2m－1，k=2m－1－m，d=3，用c=(cn－1，cn－2，…，c2，c1，c0)表示一個有n 個碼元的漢明碼，k 表示有k 個碼元為一段，稱為信息碼元，n－k表示除信息元剩下的碼元組成的一段，稱為監(jiān)督碼元，d 表示最小漢明距離。在碼字內(nèi)，檢測e 個錯誤，則要求碼的最小距離d≥e+1;糾正t 個隨機(jī)錯誤，則要求d≥2t+1。

根據(jù)漢明碼(n，k，d)設(shè)計的編碼光柵向被測物體投影時，共投影n 幅基于漢明碼的編碼光柵，其中，前k 幅編碼圖案組合起來的碼字可以構(gòu)成漢明碼的信息位，對黑白光柵條紋進(jìn)行定級。后投影的n－k 幅編碼圖案組合起來的碼字是漢明的監(jiān)督位，監(jiān)督位的作用是與信息位一起實現(xiàn)糾錯功能，并不對條紋光柵定級。

2.2 光柵設(shè)計

基于漢明碼的可糾錯編碼的結(jié)構(gòu)光柵的設(shè)計是基于漢明碼的編解碼原理，首先根據(jù)測量視場的大小和測量精度的要求，確定投影圖案所需的光柵周期數(shù)，從而確定漢明碼(n，k，d)中k 的值(即信息位的位數(shù))，進(jìn)而根據(jù)需要設(shè)計合適的漢明碼。

本文設(shè)計漢明碼編碼光柵時，令m=3，即n=23－1=7，k=23－1－3=4，是(7，4，3)漢明碼c=(c6，c5，…，c2，c1，c0)，可獲得條紋節(jié)距最小的編碼圖案的光柵周期16。c6，c5，c4，c3代表4 個信息位，則c2，c1，c0代表3 個監(jiān)督位。

所有(7，4，3)漢明碼的碼字，如表1 所示。

表1 漢明碼的碼字Tab 1 Hamming code

根據(jù)上述編碼，設(shè)計相應(yīng)的基于漢明碼的編碼光柵，如圖2 所示。

圖2 基于漢明碼的可糾錯編碼光柵圖案Fig 2 Error correction encoding grating patternbased on Hamming code

由圖2 可以看出:基于漢明碼的可糾錯編碼方法，根據(jù)漢明碼的編碼性質(zhì)，在設(shè)計編碼結(jié)構(gòu)光光柵時，由信息位和監(jiān)督位共同組成。對光柵條紋定級時只涉及信息位編碼，增加一些校驗位的光柵的設(shè)計和投影是為了利用漢明碼的糾錯原理，在解碼過程中達(dá)到對黑白光柵條紋交界處的誤碼問題進(jìn)行糾錯的目的。

3 實驗驗證

按序向被測物體表面投影并采集，編碼圖案組合起來對像素點編碼的示意圖如圖3 所示。

圖3 基于漢明碼的編碼光柵的像素點編碼示意圖Fig 3 Pixel point encoding diagram of encoding grating based on Hamming code

圖3 中，虛線表示處于黑白光柵交界處的任意像素點的編碼情況，P 點的正確的編碼應(yīng)該為C=0100110，取對應(yīng)的信息位，對應(yīng)的條紋級數(shù)應(yīng)該為4，然而，在實際情況中，假設(shè)在黑白條紋交界處由于受外界因素的干擾發(fā)生了誤碼問題，實際獲取的像素點P 的編碼碼字R=0110110，對應(yīng)的條紋級數(shù)因誤碼變成了6，現(xiàn)在就可以根據(jù)漢明碼的糾錯原理對P 點所獲取的碼字R=0110110 進(jìn)行糾錯，通過計算可知，S=101 時(S 為校正子)對應(yīng)c4碼元出錯，因此，將R=0110110 中的c4碼元的1 糾正為0，進(jìn)而得到正確的碼字C=0100110。

4 結(jié) 論

從對設(shè)計的可糾錯編碼的結(jié)構(gòu)光光柵解碼時的糾錯過程來看，該方法依據(jù)漢明碼的糾錯原理，能夠有效地解決黑白光柵交界處的誤碼問題，通過實驗驗證證明了本文所提出方法的正確性。

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