结构光的概念及其实现三维成像的主要原理

Posted 2022-02-22 smartvxworks

        结构光三维成像的硬件主要由相机和投射器组成，结构光就是通过投射器投射到被测物体表面的主动结构信息，如激光条纹、格雷码、正弦条纹等；然后，通过单个或多个相机拍摄被测表面即得结构光图像；最后，基于三角测量原理经过图像三维解析计算从而实现三维重建。

        基于结构光的三维成像，实际上是三维参数的测量与重现，主要是区别于纯粹的像双目立体视觉之类的被动三维测量技术，因而被称为主动三维测量。因为他需要主动去投射结构光到被测物体上，通过结构光的变形（或者飞行时间等）来确定被测物的尺寸参数，因此才叫做主动三维测量，嗯，相当主动。

        首先，结构光的类型就分为很多种，既然是结构光，当然是将光结构化，简单的结构化包括点结构光，线结构光以及简单的面结构光等。复杂一点的结构化就上升到光学图案的编码了。结构光投射到待测物表面后被待测物的高度调制，被调制的结构光经摄像系统采集，传送至计算机内分析计算后可得出被测物的三维面形数据。其中调制方式可分为时间调制与空间调制两大类。时间调制方法中最常用的是飞行时间法,该方法记录了光脉冲在空间的飞行时间,通过飞行时间解算待测物的面形信息；空间调制方法为结构光场的相位、光强等性质被待测物的高度调制后都会产生变化,根据读取这些性质的变化就可得出待测物的面形信息。

        下面以一种应用广泛的光栅投影技术（条纹投影技术）为例来阐述其具体原理。条纹投影技术实际上属于广义上的面结构光。其主要原理如下图所示, 即通过计算机编程产生正弦条纹，将该正弦条纹通过投影设备投影至被测物，利用CCD相机拍摄条纹受物体调制的弯曲程度，解调该弯曲条纹得到相位，再将相位转化为全场的高度。当然其中至关重要的一点就是系统的标定，包括系统几何参数的标定和CCD相机以及投影设备的内部参数标定，否则很可能产生误差或者误差耦合。因为系统外部参数不标定则不可能由相位计算出正确的高度信息。

 下面以个人自制的系统进行的实验过程来讲解其原理。第一步，编程产生正弦条纹图，因为后续要利用变形条纹图获取相位，而获取相位的算法也有多种，此处采用的是四步移相法，具体原理去查文献，不再累述。因此这里产生四幅相位差pi/2的条纹。然后将该四幅条纹分时投影到被测物（面具）上，采集到如下四幅被调制条纹图，同时要采集四幅参考面的条纹（未被调制，同样四幅）。
 

第一步，编程产生正弦条纹图，因为后续要利用变形条纹图获取相位，而获取相位的算法也有多种，此处采用的是四步移相法，具体原理去查文献，不再累述。因此这里产生四幅相位差pi/2的条纹。然后将该四幅条纹分时投影到被测物（面具）上，采集到如下四幅被调制条纹图，同时要采集四幅参考面的条纹（未被调制，同样四幅）。

第二步，相位恢复

由采集到的四幅受调制条纹图计算出被调制相位，这里得到的相位图是截断相位图，因为四步移相算法得到的结果是由反正切函数计算所得，因而被限制在[-pi,pi]之间，也就是说每当其值超过该范围，又会重新开始。得到的相位主值如下图所示：

解决上述问题需要消跳变，即将截断相位恢复为连续相位。如下所示，左边为受调制的连续相位，右边是参考连续相位。

第三步，上述二者相减得到相位差，该相位差则表征了被测物相对参考面的高度信息，再代入相位与高度转化公式（其中相应参数经过标定），得到如下三维模型。

下面是本实验室研制的集成化3D结构光成像系统及其相关应用（变形测量，钥匙复制）