格雷码结构光（用于立体视觉）原理详解+结构光编码实现

最近疫情闹得厉害，在家看剧看腻了，开始看论文换换脑子。
前段时间在研究格雷码结构光。但是博客上讲格雷码原理的文章几乎没有。最近看文献，总结了一下。如果读者朋友有更好的格雷码文章，请发给我，不胜感激。

一、时域编码

即编码一系列的结构光图案，依次投射到目标物体上。首先需要生成一系列编码图案。编码图案随着投射时间的推进而变化，并且这一系列的图案需要全部依次投影，以确保每一个像素对应的码是唯一的。

时域图案编码信息的方式有很多，常见的包括二进制码（binary code）和格雷码（gray code）。两种方法都需要分别编码X轴、Y轴方向。

二、二进制码（Binary Code）

上面说到时域结构光编码需要对行、列分别进行。对某一个像素点来说，二进制码即，将该像素点所在的行数m，列数n转换成二进制，二进制的每一位编码到每一幅pattern中该像素点对应的位置。（即，m转换成二进制数，该二进制数最终的位数等于行的pattern数）。以像素点（209，660）为例，其转换成二进制为（0011010001，1010010100）

该像素点的编码为：图表示在一系列的pattern中，该像素点处的值。

上面的是以单个像素点举例，整个pattern系列长什么样呢，以分辨率为32*32的投影仪为例，按照上述编码方式，得到一系列pattern：

将以上编码图案依次投射到被测物体上，使得每一个像素点最终的码值都是唯一的。

三、格雷码（Gray Code）

格雷码与二进制码最大的不同是：格雷码相邻的两个像素点的码值，只有一位是不同的。以8*8分辨率为例，以列为例：（a）代表二进制码（b）代表格雷码

格雷码可以通过下述方法得到：首先通过之前的办法得到二进制码，后根据下图的异或运算得到：

格雷码相对于二进制码的优势在于：在最后的pattern中，二进制码的最大频率（或者说是最小颜色变化间隔）是每一个像素，而格雷码的频率是每两个像素，我们希望最大频率时，最小颜色变化间隔尽可能大一些，这对投影和采图都是有好处的。

四、双目匹配

本文以介绍格雷码为主，故不在此详细讲述双目原理。

匹配原则：根据双目视差法，找到左右目拍摄到的同一个点，即可获得深度信息。

我们通过投射结构光，对于每一个投影仪像素点，其最终的码值是唯一的。这便使得双目匹配成为可能。

五、结构光解码

投影仪编码结构光，使得每个像素具有独特的码值，两相机拍摄，需要解码，确定每个像素的信息，进而完成匹配。

解码是编码的逆序。包括三步：

1.  根据灰度值得到当前像素点的格雷码；
   

2.  格雷码转换成二进制码；
   

3.  二进制码转换成十进制码（即当前像素所在的行数或者列数）。
   

六、结构光编码实验
投影仪分辨率：2014*768
NpatternsCol=ceilf（log1024/log2）=10；
NpatternsRow=ceilf（log768/log2）=10；
水平、垂直各生成十张pattern。
其中pattern0、pattern1是全黑、全白，用作参考