[논문 리뷰] High-speed and high-efficiency three-dimensional shape measurement based on Gray-coded light

Zhoujie Wu, Wenbo Guo외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 19.

Optical measurement and interference techniques인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초점 불일치와 운동에 의한 경계 점프 오차를 제거하기 위해 삼분할 단계 풀이 기법을 도입하고, 1 프레임당 투사 패턴 수를 7에서 4로 줄이는 시간 겹침 코딩 전략을 적용하여 고속·고효율 3D 형상 측정 기법을 제안한다. 이 방법은 강한 노이즈 조건에서도 높은 노이즈 내성 능력과 향상된 코딩 효율성을 바탕으로 동적 장면의 강건한 픽셀 단위 3D 재구성 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 그레이 코딩 3D 형상 측정 기법의 한계, 특히 프rojector의 초점 불일치와 물체의 운동으로 인한 코드 워드 경계에서의 점프 오차를 해결하기 위해.
• 1 3D 프레임당 필요로 하는 투사 패턴 수를 줄임으로써 코딩 효율을 향상시키기 위해.
• 강한 노이즈 조건에서도 동적 장면의 강건하고 고속의 3D 재구성 가능하도록 하기 위해.
• 기존의 그레이 코딩 기법이 지닌 높은 노이즈 내성 성능을 유지하면서도 기존의 효율성 부족 문제를 해결하기 위해.

제안 방법

• 코드 워드 경계에서의 점프 오차를 해결하기 위해 단계 풀이 과정을 세 개의 별도 단계로 나누는 삼분할 단계 풀이 방법을 제안한다.
• 세 개의 별도 그레이 코딩 패턴에서 유도된 단계 정보를 활용하여 모호하지 않은 단계 재구성을 달성함으로써 초점 불일치와 운동으로 인한 오차를 최소화한다.
• 시간 겹침 코딩 전략을 도입하여 1 3D 프레임당 투사 패턴 수를 세 개의 그레이 코드와 하나의 단계 인코딩 패턴으로 총 4개로 줄여, 기존의 7개(3+4)에서 4개(3+1)로 감소시킨다.
• 그레이 코딩 기반 단계 풀이와 단계 기반 재구성을 결합하여 픽셀 단위의 모호하지 않은 3D 기하 구조 복원을 보장한다.
• 기존 그레이 코딩 기법이 지닌 본질적 노이즈 내성 능력을 유지하면서도 시간 효율성을 크게 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초점 불일치와 운동 조건에서 동적 3D 형상 측정 시 코드 워드 경계에서 발생하는 점프 오차를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 재구성 정확도나 노이즈 내성 능력을 희생시키지 않고도 그레이 코딩 3D 프로파일로피의 코딩 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 고속 상황에서 신뢰할 수 있고 모호하지 않은 3D 재구성을 달성하기 위해 필요한 최소 투사 패턴 수는 얼마인가?
• RQ4 시간 겹침 코딩 전략을 통해 필요한 패턴 수를 얼마나 줄일 수 있으며, 이로 인해 단계 풀이 정확도는 어떻게 유지되는가?

주요 결과

• 제안된 삼분할 단계 풀이 방법은 프로젝터의 초점 불일치와 물체의 운동으로 인한 코드 워드 경계에서의 점프 오차를 성공적으로 제거한다.
• 시간 겹침 코딩 전략을 통해 1 3D 프레임당 필요한 투사 패턴 수를 기존의 7개(3+4)에서 4개(3+1)로 줄여 코딩 효율을 크게 향상시킨다.
• 이 방법은 강한 노이즈 조건에서도 고속 동적 장면의 강건한 3D 재구성을 가능하게 하며, 그레이 코딩 기법의 높은 노이즈 내성 성능을 그대로 유지한다.
• 실험 결과는 1개의 4개 패턴 투사로도 완전하고 모호하지 않은 3D 기하 구조 재구성이 고정밀도와 고속도로 이루어짐을 확인한다.