[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种基于格雷码光的高速、高效率三维形貌测量方法，通过引入三分段相位解包裹技术，消除了因投影仪失焦和运动引起的边界跳变误差，并采用时间重叠编码策略，将每帧所需的投影条纹数从7组减少至4组。该方法在强噪声环境下具备出色的抗噪能力，实现了鲁棒的像素级三维重建，显著提升了编码效率。

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.

研究动机与目标

• 为解决传统格雷码三维形貌测量方法的局限性，特别是因投影仪失焦和物体运动导致的码字边界跳变误差。
• 通过减少每帧三维重建所需的投影条纹数量，提升编码效率。
• 实现在强噪声条件下对动态场景的鲁棒、高速三维重建。
• 在保持格雷码方法固有的高抗噪性能的同时，克服其传统效率低下的问题。

提出的方法

• 提出一种三分段相位解包裹方法，通过将相位解包裹过程划分为三个独立阶段，以解决码字边界处的跳变误差。
• 该方法利用三组独立的格雷码条纹所携带的相位信息，实现无歧义的相位重建，最大限度减少因失焦和运动引起的误差。
• 引入时间重叠编码策略，使每帧仅需投影四组条纹——三组用于格雷码编码，一组用于相位编码，将总条纹数从七组（3+4）减少至四组（3+1）。
• 该技术结合格雷码相位解包裹与基于相位的重建方法，确保像素级无歧义的三维几何恢复。
• 在显著提升时间效率的同时，保持格雷码方法固有的噪声鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在失焦和运动条件下，如何有效缓解动态三维形貌测量中码字边界处的跳变误差？
• RQ2 能否在不牺牲重建精度或抗噪能力的前提下，提升格雷码三维轮廓术的编码效率？
• RQ3 在高速场景中，实现可靠、无歧义三维重建所需的最少投影条纹数是多少？
• RQ4 时间重叠编码在多大程度上可减少所需条纹数量，同时保持相位解包裹的准确性？

主要发现

• 所提出的三分段相位解包裹方法成功消除了由投影仪失焦和物体运动引起的码字边界跳变误差。
• 时间重叠编码策略将每帧所需投影条纹数从7组（3+4）减少至4组（3+1），显著提升了编码效率。
• 该方法在强噪声环境下仍能实现对高速动态场景的鲁棒三维重建，同时保持了格雷码方法的高抗噪能力。
• 实验结果证实，每4组投影条纹即可实现完整、无歧义的三维几何重建，且具有高精度与高速度。