1、結(jié)構(gòu)光3D視覺原理,圖像處理、分析與機(jī)器視覺,三維視覺技術(shù)分類 結(jié)構(gòu)光三維視覺系統(tǒng)和原理 結(jié)構(gòu)光模式 結(jié)構(gòu)光三維視覺模型,三維視覺技術(shù)分類,三維視覺技術(shù)主要包括雙目立體視覺和結(jié)構(gòu)光三維視覺，還有其他的三維視覺技術(shù)，如由明暗恢復(fù)性狀、由紋理恢復(fù)形狀、激光測距、莫爾陰影與散焦測距； 按照景物的照明條件，三維視覺技術(shù)可分為被動(dòng)和主動(dòng)兩大類，前者中景物的照明是由物體周圍的光照條件來提供，而后者則使用一個(gè)專門的光源裝置來提供目標(biāo)物體周圍的照明； 按照這種分類，前面介紹的雙目立體視覺是被動(dòng)方式，而結(jié)構(gòu)光三維視覺則是主動(dòng)方式。,結(jié)構(gòu)光三維視覺系統(tǒng)和原理,結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)光投射裝置、攝像機(jī)、圖像采集及

2、處理系統(tǒng)組成。,投影 設(shè)備,被測 物體,讀取 圖像,圖像 處理,三維 重構(gòu),結(jié)構(gòu)光模式,根據(jù)光學(xué)投射器所投射的光束模式的不同，結(jié)構(gòu)光模式 又可分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式、線結(jié)構(gòu)光模式、多線結(jié)構(gòu)光模式、 面結(jié)構(gòu)光模式、相位法等,需要通過逐點(diǎn)掃描物體進(jìn)行測量， 圖像攝取和圖像處理需要的時(shí)間 隨著被測物體的增大而急劇增加,1、點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式,如圖所示，激光器發(fā)出的光束投射到物體上產(chǎn)生一個(gè)光點(diǎn)，光點(diǎn)經(jīng)攝像機(jī) 的鏡頭成像在攝像機(jī)的像平面上，形成一個(gè)二維點(diǎn)。攝像機(jī)的視線和光束 在空間中于光點(diǎn)處相交，形成一種簡單的三角幾何關(guān)系。通過一定的標(biāo)定 可以得到這種三角幾何約束關(guān)系，并由其可以唯一確定光點(diǎn)在某一已知世 界坐標(biāo)系中

3、的空間位置。,2、線結(jié)構(gòu)光模式,實(shí)際上，線結(jié)構(gòu)光模式也可以說是點(diǎn)結(jié)構(gòu)模式的擴(kuò)展。過相機(jī)光心 的視線束在空間中與激光平面相交產(chǎn)生很多交點(diǎn)，在物體表面處的交點(diǎn) 則是光條上眾多的光點(diǎn)，因而便形成了點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式中類似的眾多的三 角幾何約束。很明顯，與點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式相比較，線結(jié)構(gòu)光模式的測量信 息量大大增加，而其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性并沒有增加，因而得到廣泛應(yīng)用。,線結(jié)構(gòu)光模式是向物體投射一條光束，光條由于物體表面深度的變化 以及可能的間隙而受到調(diào)制，變現(xiàn)在圖像中則是光條發(fā)生了畸變和不連續(xù)， 畸變的程度與深度成正比，不連續(xù)則顯示出了物體表面的物理間隙。任務(wù) 就是從畸變的光條圖像信息中獲取物體表面的三維信息；,很明顯

4、，與點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式相比較，線結(jié)構(gòu)光 模式的測量信息量大大增加，復(fù)雜性沒有增 加因而得到廣泛應(yīng)用,3、多線結(jié)構(gòu)光模式,多線結(jié)構(gòu)光模式是光帶模式的擴(kuò)展。如圖，由光學(xué)投射器向物體表面投射 了多條光條，其目的的一方面是為了在一幅圖像中可以處理多條光條，提 高圖像的處理效率，另一方面是為了實(shí)現(xiàn)物體表面的多光條覆蓋從而增加 測量的信息量，以獲得物體表面更大范圍的深度信息。也就是所謂的“光 柵結(jié)構(gòu)模式”，多光條可以采用投影儀投影產(chǎn)生一光柵圖樣，也可以利用 激光掃描器來實(shí)現(xiàn)。,較之光帶模式，多線結(jié)構(gòu)光模式的效率和 范圍增加，但同時(shí)引入了標(biāo)定復(fù)雜性的增 加和光條識(shí)別問題,4、面結(jié)構(gòu)光模式,當(dāng)采用面結(jié)構(gòu)光時(shí)，將二維

5、的結(jié)構(gòu)光圖案投射到物體表面上，這樣不需要進(jìn)行掃描就可以實(shí)現(xiàn)三維輪廓測量，測量速度很快，光面結(jié)構(gòu)光中最常用的方法是投影光柵條紋到物體表面。 當(dāng)投影的結(jié)構(gòu)光圖案比較復(fù)雜時(shí)，為了確定物體表面點(diǎn)與其圖像像素點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要對(duì)投射的圖案進(jìn)行編碼，因而這類方法又稱為編碼結(jié)構(gòu)光測量法。圖案編碼分為空域編碼和時(shí)域編碼?？沼蚓幋a方法只需要一次投射就可獲得物體深度圖，適合于動(dòng)態(tài)測量，但是目前分辨率和處理速度還無法滿足實(shí)時(shí)三維測量要求，而且對(duì)譯碼要求很高。時(shí)域編碼需要將多個(gè)不同的投射編碼圖案組合起來解碼，這樣比較容易實(shí)現(xiàn)解碼。主要的編碼方法有二進(jìn)制編碼、二維網(wǎng)格圖案編碼、隨機(jī)圖案編碼、彩色編碼、灰度編碼、鄰域

6、編碼、相位編碼以及混合編碼,5、相位法,近年來基于相位的光柵投影三維輪廓測童技術(shù)有了很大的發(fā)展，將光柵 圖案投射到被測物表面，受物體高度的調(diào)制，光柵條紋發(fā)生形變，這種變形 條紋可解釋為相位和振幅均被調(diào)制的空間載波信號(hào)。采集變形條紋并且對(duì)其 進(jìn)行解調(diào)可以得到包含高度信息的相位變化，最后根據(jù)三角法原理計(jì)算出高 度，這類方法又稱為相位法?；谙辔粶y量的三維輪廓測量技術(shù)的理論依據(jù) 也是光學(xué)三角法，但與光學(xué)三角法的輪廓術(shù)有所不同，它不直接去尋找和判 斷由于物體高度變動(dòng)后的像點(diǎn)，而是通過相位測量間接地實(shí)現(xiàn)，由于相位信 息的參與，使得這類方法與單純光學(xué)三角法有很大區(qū)別。,結(jié)構(gòu)光三維視覺模型,1、解析幾何模型（公式過多，省略）,2、透視投影模型,攝像機(jī)坐標(biāo)系與模塊坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系可用下式