結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量幾種比較成熟的方法

1.飛行時(shí)間發(fā)

原理：通過(guò)直接測(cè)量光傳播的時(shí)間，確定物體的面型。發(fā)射脈沖信號(hào)，接受發(fā)射回的光，計(jì)算距離。

精度：毫米級(jí)

優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，可避免陰影和遮擋等問(wèn)題，且儀器便攜化。

缺點(diǎn)：精度相對(duì)較低

2.莫爾條紋法

原理：采用兩組光柵，一個(gè)主光柵，一個(gè)基準(zhǔn)光柵，通過(guò)基準(zhǔn)光柵來(lái)檢測(cè)輪廓表面的主光柵，并根據(jù)條紋規(guī)律來(lái)推算物體的輪廓面型。

優(yōu)點(diǎn)：過(guò)程運(yùn)算量小，比較容易實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。

缺點(diǎn)：?jiǎn)螐哪獱柕雀呔€不能判定物體凹凸，且光柵制作存在局限性，一般應(yīng)用于工業(yè)在線質(zhì)量檢測(cè)。

主要兩類：影像型莫爾條紋和投影型摩爾條紋

①影像型摩爾條紋

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高

缺點(diǎn)：要求較大光柵面積，至少覆蓋待測(cè)輪廓，且光柵要緊挨待測(cè)物體

②投影莫爾法

將一個(gè)光柵投射到被測(cè)物體上，旁邊使用另一個(gè)光柵觀測(cè)行程的摩爾條紋，分析觀測(cè)到的摩爾條紋，就可得到深度信息。

優(yōu)點(diǎn)：適合測(cè)量較大物體。

3.立體視覺(jué)法

原理：由多幅圖像(一般兩幅)來(lái)獲取物體三維幾何信息的方法。主要模仿生物，幾乎所有具備視覺(jué)的生物，都是兩個(gè)眼睛。利用成像設(shè)備從不同位置獲取被測(cè)物體的兩幅圖像，通過(guò)計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差，來(lái)獲取物體的三維幾何信息。

優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，對(duì)材質(zhì)顏色等物面性質(zhì)及背景光等環(huán)境因素要求較低，在超大型三維測(cè)量如建筑物測(cè)量中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

缺點(diǎn)：系統(tǒng)需要預(yù)先標(biāo)定，當(dāng)測(cè)量環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，相機(jī)參數(shù)需要重新調(diào)節(jié)。很難獲取無(wú)紋理區(qū)域的信息。

應(yīng)用：谷歌無(wú)人車

4.激光三角法

原理：線掃描法的一種，是用線光源投射到待測(cè)物體表面，然后經(jīng)過(guò)一側(cè)一維的掃描，獲得整個(gè)物體的深度信息。

每次投射器投射一條光線到物體上，攝像機(jī)對(duì)帶有光條紋的物體成像，圖像上的光線特征恰恰對(duì)應(yīng)投射器的光線。根據(jù)三角測(cè)量原理，可確定落在物體上光線的深度信息。

優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，精度較高，因?yàn)槭褂脝紊院玫募す馐沟眠@種方法很少受物體表面紋理的影響相對(duì)較穩(wěn)定，因此激光三角法在精度要求較高、環(huán)境較為復(fù)雜的工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)用非常廣泛

缺點(diǎn)：由于單幀圖像得到的信息非常有限，激光三角法還需要一次一維的移動(dòng)掃描，這也導(dǎo)致該方法效率較低。

5.結(jié)構(gòu)光技術(shù)

是一種主動(dòng)的三角測(cè)量技術(shù)。

原理：由光源投射可控制的光點(diǎn)、光條或光面結(jié)構(gòu)，光在物體表面形成特征點(diǎn)，線或者面，并由成像系統(tǒng)捕獲圖像，

得到特征點(diǎn)的投射角，然后根據(jù)標(biāo)定出的空間方向、位置參數(shù)，利用三角法測(cè)量原理計(jì)算特征點(diǎn)與攝像機(jī)鏡頭主點(diǎn)

之間的距離。

幾種比較典型的編碼結(jié)構(gòu)光方式：

根據(jù)編碼圖案，將編碼結(jié)構(gòu)光分為了離散編碼和連續(xù)編碼兩大類。

如圖1.6所示。若沿著一行掃描編碼結(jié)構(gòu)光的數(shù)字投影條紋圖案，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)離散編碼的圖案中，

碼字(codeword)相同的區(qū)域其掃描輪廓線的值也是一樣的，

而相同碼字區(qū)域的大小也很大程度上代表了重構(gòu)出來(lái)的三維點(diǎn)云的密度;

然而，在連續(xù)編碼圖案上，掃描輪廓線則為一條連續(xù)平滑的亮度曲線，在一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)像素都有唯一的碼字，

正是如此，該方法才能夠獲得與圖像分辨率相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)云密度。

而時(shí)間編碼則是使用同一個(gè)像素點(diǎn)不同時(shí)間下的多個(gè)碼字來(lái)確定該點(diǎn)的位置信息。

當(dāng)然，也有一些方法結(jié)合時(shí)間和空間策略共同確定位置信息。

離散型空間編碼方法大致可以分為三類：基于De aruijn的編碼方法，基于M.array的編碼方法，非正式的編碼方法。

離散型時(shí)間編碼方法主要代表有：自然二進(jìn)制編碼，Gray碼。

離散型編碼可以通過(guò)空間域或時(shí)間域進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)。

空間編碼和時(shí)間編碼是通過(guò)碼字解碼的方式不同來(lái)區(qū)分的，空間編碼需要周圍相鄰碼字共同確定中心碼字的位置信息，

理論上講，連續(xù)性編碼方法既可以采用周期性模式，也可以采用非周期性模

式。然而非周期性模式往往限制了模板大小，目前圖像亮度等級(jí)有限，只有256

級(jí)的情況下，無(wú)法絕對(duì)唯一地標(biāo)識(shí)大范圍空間。因此，周期性模式圖像配合時(shí)間

域交叉技術(shù)獲得廣泛認(rèn)可。

連續(xù)性編碼方案中，最具有代表性的是相移輪廓術(shù)和傅里葉輪廓術(shù)。

①傅里葉變換輪廓術(shù)

圖1.7所示。輪廓測(cè)量法利用數(shù)字濾波技術(shù)，將頻率較高的載波和頻率較低的面形分離出來(lái)，然后進(jìn)行反變換，

得到包含高度信息的相位，在通過(guò)標(biāo)定得到的相位高度映射關(guān)系得到三維面型信息。傅里葉變換輪廓術(shù)只用一

幅圖就可以得到相位值測(cè)量面型信息，但該方法計(jì)算量大，使用FFT產(chǎn)生的泄漏、混頻、柵欄效應(yīng)等會(huì)產(chǎn)生誤差，

采用數(shù)字濾波器也需要不斷試錯(cuò)才能得到正確的參數(shù)。

②相位測(cè)量輪廓術(shù)

相位測(cè)量輪廓術(shù)(PMP：Phase Measurement Profilometry)的基本思想就是

通過(guò)3F(F為相移法中采用的頻率個(gè)數(shù))張具有一定相位差的條紋圖來(lái)計(jì)算相位，然后再結(jié)合相位-高度映射關(guān)系式

計(jì)算出物體的高度分布。

相位測(cè)量輪廓術(shù)的原理同樣如圖1.7所示，將正弦光柵圖像投影到物體表面，同時(shí)用成像設(shè)備采集變形條紋。

然后開(kāi)始投影第二幀正弦光柵圖案，同時(shí)采集這一幀的變形條紋……整個(gè)過(guò)程重復(fù)Ⅳ次，而每一幀圖案相對(duì)前一幀

的相移為2，r/N。

典型的幾種算法被廣泛應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量中，分別是三步相移法，四步相移法，五步相移法和六步相移法。

相比傅里葉輪廓術(shù)，相位測(cè)量輪廓術(shù)運(yùn)算量要小很多，而且可以用查表法進(jìn)一步降低運(yùn)算量，這使得相位測(cè)量輪廓術(shù)在高速高精度實(shí)時(shí)三維測(cè)量中運(yùn)用的非常廣泛。

審核編輯：湯梓紅