CMOS 傳感器在可編碼三維測量中的應用*

王長璟，楊秋翔，劉晴晴

(中北大學 計算機與控制工程學院，山西 太原030051)

0 引 言

近年來，基于計算機和光電技術的三維測量［1］技術已經得到了較快的發展，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境測量的研究，并取得了一定的研究成果。

在編碼結構光三維測量［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。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，對誤碼問題進行檢測和糾正。

1 三維測量系統

本文采用可糾錯編碼的結構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送到物體表面，然后通過CMOS 圖像采集傳感器進行采集［3］，再使用適當的模型和算法，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，而不是采用被測環境中存在的自然光。

使用的三維測量統主要由結構光投射器［5］、CMOS 傳感器［6］以及PC 構成。其中，CMOS 傳感器采用DHHV1351UM 攝像機，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、結構光投射器、CMOS 傳感器、黑白棋盤標定板、光滑的平面。

1)計算機:對CMOS 傳感器采集到的圖像進行處理。

2)結構光投射器:向被測物體投影結構光編碼光柵圖案和標準正弦光柵條紋圖案。

3)CMOS 傳感器:大恒DH—HV1351UM 攝像機，負責圖像采集。

4)黑白棋盤標定板:對雙目攝像機系統進行標定。

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。

圖像采集系統采用的是大恒圖像公司提供的圖像采集處理系統。該系統提供了單幀采集和連續采集兩種方式，可以同時對多個圖像傳感器(DH—HV1351UM 攝像機)進行采集，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定板的不同空間位置的圖像。

Matlab 2012 軟件主要是用來產生編碼光柵條紋圖和標準正弦光柵及實現四步相移，并對采集的圖像進行處理，求取相位值，攝像機標定［7］求取系統參數等。

1.3 平臺搭建

為確保雙目相機的三維測量采集到具有較高的質量的圖片，一是調整攝像機的位置和高度，確保被測物體在左右相機的拍攝范圍內;二是調整攝像機的焦距和明暗程度，保證采集的圖片清晰。此外，還要調整結構光投射器，保證投射圖像的質量。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構光光柵編碼方法在實際測量中出現的黑白光柵交界處的誤碼問題，設計了一種基于漢明線性分組碼的可糾錯結構光光柵編碼方案［8］。漢明碼是1950 年由漢明首先構造的［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，被廣泛使用在計算機和通信領域。

2.1 漢明碼

漢明碼(n，k，d)中參數滿足: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，稱為監督碼元，d 表示最小漢明距離。在碼字內，檢測e 個錯誤，則要求碼的最小距離d≥e+1;糾正t 個隨機錯誤，則要求d≥2t+1。

根據漢明碼(n，k，d)設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成漢明碼的信息位，對黑白光柵條紋進行定級。后投影的n－k 幅編碼圖案組合起來的碼字是漢明的監督位，監督位的作用是與信息位一起實現糾錯功能，并不對條紋光柵定級。

2.2 光柵設計

基于漢明碼的可糾錯編碼的結構光柵的設計是基于漢明碼的編解碼原理，首先根據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，從而確定漢明碼(n，k，d)中k 的值(即信息位的位數)，進而根據需要設計合適的漢明碼。

本文設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

根據上述編碼，設計相應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，根據漢明碼的編碼性質，在設計編碼結構光光柵時，由信息位和監督位共同組成。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計和投影是為了利用漢明碼的糾錯原理，在解碼過程中達到對黑白光柵條紋交界處的誤碼問題進行糾錯的目的。

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 點的正確的編碼應該為C=0100110，取對應的信息位，對應的條紋級數應該為4，然而，在實際情況中，假設在黑白條紋交界處由于受外界因素的干擾發生了誤碼問題，實際獲取的像素點P 的編碼碼字R=0110110，對應的條紋級數因誤碼變成了6，現在就可以根據漢明碼的糾錯原理對P 點所獲取的碼字R=0110110 進行糾錯，通過計算可知，S=101 時(S 為校正子)對應c4碼元出錯，因此，將R=0110110 中的c4碼元的1 糾正為0，進而得到正確的碼字C=0100110。

4 結 論

從對設計的可糾錯編碼的結構光光柵解碼時的糾錯過程來看，該方法依據漢明碼的糾錯原理，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。

［1］ 楊云濤.非接觸式人體三維測量系統的研究［D］.長春:吉林大學，2006.

［2］ 邢文哲.基于編碼結構光的三維重建［D］.西安:西安電子科技大學，2009.

［3］ 陳振宇，李忠新.微小型彈載圖像采集系統設計［J］.傳感器與微系統，2015，34(3):116－119.

［4］ 陶 奇.基于投影結構光技術的三維重構研究［D］.杭州:浙江大學，2010.

［5］ 宗明理.主動式三維立體全景視覺傳感技術的研究［D］.杭州:浙江工業大學，2012.

［6］ 仲叢久，張芝賢，關宗安，等.基于CMOS 傳感器的圖象采集系統的設計［J］.工礦自動化，2008，4(2):113－115.

［7］ Zhang Zhengyou.A flexible new technique for camera calibration［J］.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000，22(11):1330－1334.

［8］ 劉晴晴.基于可糾錯編碼的結構光三維測量方法研究［D］.太原:中北大學，2014.

［9］ 王新梅，肖國鎮.糾錯碼——原理與方法［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2011:17－99.