[論文レビュー] High-speed and high-efficiency three-dimensional shape measurement based on Gray-coded light

Zhoujie Wu, Wenbo Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2020

Optical measurement and interference techniques被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、グレイコード光を用いた高速で高効率な3次元形状計測手法を提案する。境界ジャンプ誤差を除去するための三段階位 unwrap 法と、1フレームあたりの投影パターン数を7から4に削減する時間重複符号化戦略を導入している。この手法により、強いノイズ下でも耐ノイズ性が高く、時間的効率性が向上した、ピクセル単位の動的シーンの3次元再構成が可能となる。

ABSTRACT

Fringe projection profilometry has been increasingly sought and applied in dynamic three-dimensional (3D) shape measurement. In this work, a robust and high-efficiency 3D measurement based on Gray-code light is proposed. Unlike the traditional method, a novel tripartite phase unwrapping method is proposed to avoid the jump errors on the boundary of code words, which are mainly caused by the defocusing of the projector and the motion of the tested object. Subsequently, the time-overlapping coding strategy is presented to greatly increase the coding efficiency, decreasing the projected number in each group, e.g. from 7 (3 + 4) to 4 (3 + 1) for one restored 3D frame. Combination of two proposed techniques allows to reconstruct a pixel-wise and unambiguous 3D geometry of dynamic scenes with strong noise using every 4 projected patterns. The presented techniques preserve the high anti-noise ability of Gray-coded-based method while overcoming the drawbacks of jump errors and low coding efficiency. Experiments have demonstrated that the proposed method can achieve the robust and high-efficiency 3D shape measurement of high-speed dynamic scenes even polluted by strong noise.

研究の動機と目的

• 従来のグレイコード3次元形状計測の限界、特にプロジェクタのぼかしと物体の運動によるコード語境界でのジャンプ誤差を解消すること。
• 1回の3次元フレームあたりに必要な投影パターン数を削減することで、符号化効率を向上させること。
• 強いノイズ条件下でも、動的シーンの耐障害性が高く、高速な3次元再構成を可能とすること。
• グレイコード手法が有する高い耐ノイズ性能を維持しつつ、従来の非効率性を克服すること。

提案手法

• コード語境界でのジャンプ誤差を解消するため、位相アンラップ処理を三つの明確に分離された段階に分割する三段階位アンラップ法を提案する。
• 三つの別々のグレイコードパターンからの位相情報を活用することで、ぼかしや運動による誤差を最小限に抑えた明確な位相再構成を実現する。
• 時間重複符号化戦略を導入し、1回の3次元フレームあたりの投影パターン数を、従来の7（3+4）から4（3+1）に削減する。
• グレイコード位相アンラップと位相ベースの再構成を組み合わせることで、ピクセル単位の明確な3次元幾何再構成を保証する。
• グレイコード手法が有する本質的なノイズ耐性を維持しつつ、時間的効率性を著しく向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロジェクタのぼかしと運動下で、動的3次元形状計測においてコード語境界でのジャンプ誤差を効果的に低減する方法は何か？
• RQ2 再構成精度やノイズ耐性を損なわず、グレイコード3次元プロファイルメトリーの符号化効率を向上させることは可能か？
• RQ3 高速な状況下で、信頼性があり明確な3次元再構成を達成するために必要な最小の投影パターン数は何か？
• RQ4 時間重複符号化により、パターン数をどれほど削減できるか、かつ位相アンラップの正確性を保持できるかの程度は？

主な発見

• 提案された三段階位アンラップ法により、プロジェクタのぼかしと物体の運動によって引き起こされるコード語境界でのジャンプ誤差が明確に解消された。
• 時間重複符号化戦略により、1回の3次元フレームあたりに必要な投影パターン数が7（3+4）から4（3+1）に削減され、符号化効率が著しく向上した。
• 本手法により、強いノイズ下でも高精度かつ高速に、動的シーンの耐障害性の高い3次元再構成が可能となり、グレイコード手法の高い耐ノイズ性能が維持された。
• 実験結果から、4つの投影パターンごとに完全で明確な3次元幾何再構成が得られ、高い精度と速度を達成していることが確認された。