基于多径衰落信道的结构光编码解码原理及其在复杂动态场景三维重建中的应用

Because of the industrial development and upgrading, the demand of measuring the dynamic behaviors, like motion, deformation, and vibration in 3D space, becomes increasingly urgent in the fields of aviation, aerospace, automotive, mould, mechanical parts, etc. However, complex dynamic scenes make the structured light for 3D reconstruction severely challenging, because there are time variation of the position, irregularity of light modulation, weak correlation in spatial distribution, nonlinearity of the projected light, etc. In this project, structured light for 3D reconstruction is modeled as the problem of information transmission. Inspired by the latest theory of error-correcting codes in the field of communication, and considered the characters of structured light system, low density parity check (LDPC) code in multipath fading channel of the structured light will be studied. Then, the clustering rule and algorithm would be developed to recognize the code, and the mechanism of code matching will be established in the form of graph model. After that, the software including structured light code strategy, decoding method for the correspondence, etc, would be developed. The method and the system would be adopted and further enhanced in some practical dynamic scenes, such as large-size thin-walled components with high-frequency vibration, fast rupturing surface, etc. The important significance of this project is revealing the channel fading characteristics for the complex dynamic scenarios, and establishing the channel coding and decoding algorithms to approach Shannon limit. The research results would supplement the theory of structured light coding and decoding based on uniqueness of information source. Further, they will promote the application of the structured light technology in new areas and help the development and progress of the related fields.

随着产业的升级和提升，全场三维运动、变形、振动等真实动态行为测量的要求在航空、航天、汽车、模具、机械零件等领域越来越迫切。然而，复杂动态场景具有位置时变性、光线调制的不规则性、空间分布的弱相关性、亮度投射的非线性，使结构光三维重建面临严峻挑战。本项目将结构光三维重建转化为信息传递问题，借鉴通信系统最新纠错码理论，结合结构光系统特性，提出多径衰落信道的结构光LDPC编码方法，建立自适应码字聚类识别规则，研究码字图的概率解码机制，在此基础上，构建结构光LDPC编、解码软件系统并进行应用研究。该项研究对揭示复杂动态场景下的信道衰落特性，建立接近Shannon极限的结构光信道编码和解码机制有重要意义，是对以信源唯一性为基础的结构光编码解码理论的完善和补充，有助于拓宽结构光技术的应用范围，促进相关应用行业的发展和进步。

结构光三维测量技术具有非接触、精度高、速度快、低成本、大工作距离、适用范围广以及易于实现等特点，但由于测量过程中存在许多复杂影响因素，如：物体表面颜色、阴影、遮挡、纹理、陡坡、互反射效应、离焦效应、子表面散射效应、光源的不稳定性、亮度噪声和环境光等，测量精度有待于进一步提高。.彩色编码结构光在拍摄图像成像过程中受到物体表面颜色、阴影、遮挡、纹理、陡坡和颜色串扰等复杂因素的影响，导致解码精度较低。针对彩色高斯条纹和彩色带状条纹提出了两种解码方法以提高解码精度，即：硬值解码方法和软值解码方法。两种解码方法的不同之处在于硬值解码方法是利用特征点的实际码字进行特征匹配，而软值解码方法是利用特征点的模糊码字进行特征匹配。此外，在采用时空分析法获得基准数据的基础上，通过实验证明了采用与传感器和物体表面反射率相关度较大，而与照射光的波长、方向和强度、以及物体表面方向等因素相关度较小的颜色特征进行颜色识别时能获得较好的颜色识别效果；软值解码方法的解码精度高于硬值解码方法；硬值解码方法的解码速度优于软值解码方法。.由于测量过程中存在互反射效应、离焦效应和子表面散射效应等复杂因素，影响测量精度。提出一种与微相移方法相比具有更小卷绕相位误差的微相位测量轮廓术以减小复杂因素的影响，从而提高测量精度。该方法将投影光栅图像的频率限制在一个高频窄带内。此外，利用健壮中国剩余定理与多步相移的卷绕相位标准差，结合微相移的定义，提出了微相位测量轮廓术的选频准则，然后采用封闭式健壮中国剩余定理算法对微相位测量轮廓术进行精确地解卷绕。最后通过实验证明了提出的微相位测量轮廓术在选择符合选频准则的频率时不仅能够有效地减小三维测量过程中由复杂因素所带来的影响，且具有精度高、效率高、鲁棒性强等特点。.系统参数标定是结构光三维测量技术中的关键问题之一，其标定精度直接影响三维测量的精度。提出了一种简单、高精度的系统参数标定算法。该算法通过投影采用伪随机编码原理生成彩色编码图案结合射影变换原理建立摄像机图像和投影仪图像的对应关系，根据此对应关系，将棋盘格角点在摄像机图像上的坐标转换至投影仪图像上，从而实现摄像机和投影仪的同时标定，再利用彩色编码图案的桥梁作用对系统的外参数进行了整体优化，进而完成系统标定。此算法简单、有效、适宜于现场标定，且标定精度可达0.3像素。