基于結構光的三維測量技術研究

宋少哲 牛金星 張濤

摘 要：三維測量技術是計算機視覺領域的重要課題，也是工業(yè)技術發(fā)展的方向之一。為獲取物體的三維信息，必須對物體進行測量?；诮Y構光的三維測量技術作為一種非接觸、主動式的測量方法，有著廣泛的應用前景。本文主要介紹了結構光測量技術的研究進展，從三維測量技術開始探討，對結構光測量技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結，并提出測量系統(tǒng)中的兩個關鍵技術，最后分析了結構光三維測量技術的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：三維信息;三維測量技術;結構光

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0014-03

Research on Three-dimensional Measurement

Technology Based on Structured Light

SONG Shaozhe NIU Jinxing ZHANG Tao

Abstract： Three-dimensional measurement technology is an important subject in the field of computer vision， andalso one of the directions of industrial technology development. In order to obtain the three-dimensional information of the object， it is necessary to measure the object. As a non-contact and active measurement method， the three-dimensional measurement technology based on structured light has broad application prospects. This paper mainly introduced the research progress of structured light measurement technology， starting from three-dimensional measurement technology， summarized the development status of structured light measurement technology， and put forward two key technologies in the measurement system. Finally， the development trend of structured light three-dimensional measurement technology was analyzed.

Keywords： three-dimensional information;three-dimensional measurement technology;structured light

目前，人類所能感知的空間是三維的，客觀物體在三維空間中以立體的形態(tài)存在。人們對客觀物體的認識首先開始于視覺，能大概知道物體的外形和尺寸。后來，人們已經(jīng)不滿足于對客觀物體的定性觀察，而開始對客觀物體進行定量測量。在對物體進行測量的過程中，一些測量技術得到發(fā)展，傳統(tǒng)的測量方法已經(jīng)很難滿足效率及精度要求。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的推進，測量技術水平不斷提高，其中基于結構光的三維測量技術成為研究熱點之一。

1 三維測量技術概述

三維測量技術是獲取物體三維信息的一種技術，其是指利用測量儀器、采取一定的測量手段獲取空間三維坐標的方法[1]。物體的三維信息是人類認識和改造世界的重要依托。三維空間內(nèi)的物體大小不一、形態(tài)各異，對測量技術有著不同的要求。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，三維測量方法可以分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類[2]。接觸式測量就是利用測量工具與被測量物體接觸來進行測量，是一種非常直觀且易實現(xiàn)的測量方法。但接觸式測量的受測物體種類有限，還可能發(fā)生接觸性破壞，而且測量耗費時間。為了彌補接觸式測量的不足，人們對非接觸式測量進行了深入研究。

非接觸式測量就是在不與受測物體接觸的情況下，以有效獲取物體三維信息的測量。根據(jù)測量系統(tǒng)采取信號源的不同，其分為主動式測量和被動式測量兩種[3]。被動式測量不需要對場景發(fā)射測量信號，只由環(huán)境本身的光源作為信號，雖然這種測量方法對成像設備要求不高，但對特征不明顯的物體來說，難以獲取較精確的三維數(shù)據(jù)。主動式測量則是對受測物體發(fā)射測量信號來進行測量。在主動式測量中，作為測量信號的可以是可見光、激光，也可以是電磁波、聲波等。從測量方法來看，主動式測量包括激光測距法、結構光法和信號干涉法等[3]。

結構光法是主動式測量技術中的一個重要方法，其利用被待測物體所調制的結構光圖像結合三角測量原理來獲取物體的三維數(shù)據(jù)。隨著計算機視覺相關領域的發(fā)展，如攝像機標定技術、計算機圖像處理技術的進步，測速快、精度高的結構光測量法在行業(yè)內(nèi)逐漸受到肯定。

2 結構光三維測量技術研究現(xiàn)狀

根據(jù)光的結構形式，可將結構光三維測量分為點結構光測量、線結構光測量、面結構光測量[4]。20世紀70年代初，點結構光測量技術開始出現(xiàn)，雖然能在準確獲得激光點的情況下獲得該點的空間坐標，但通常被測量的物體體型龐大，測量效率較低。線結構光測量方法是用線型代替點型，雖然精度沒有點結構光測量高，但掃描效率提高。該測量技術已發(fā)展成熟，市面上也有相關產(chǎn)品。面結構光測量方法是單線結構光的升級版，利用一幅完整圖案對物體進行測量，相比點結構光和線結構光測量，測量效率最高，其測量精度也較高。但是，在利用面結構光對物體進行測量時，圖像處理的算法復雜龐大，目前還需要進一步研究。

國外對結構光測量技術的研究比國內(nèi)早很多年，部分發(fā)達國家在這方面的研究已經(jīng)非常成熟，相關產(chǎn)品已經(jīng)運用到工業(yè)生產(chǎn)中?？梢詮募夹g研究和產(chǎn)品開發(fā)兩方面來了解國外結構光測量技術的發(fā)展。在技術研究方面，國外技術人員從點結構光著手研究，然后過渡到線結構光，再到面結構光，從黑白結構光到彩色結構光，測量技術不斷得到創(chuàng)新。當前的研究重點主要涉及彩色編碼技術、共聚焦技術等[5]。在產(chǎn)品開發(fā)方面，美國、日本等國家的研究機構生產(chǎn)出了測量精度非常高的測量儀器，并且廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、社會生活等，如德國的Breuckmann公司、美國的ARTEC公司、瑞士的IMETRIC等[6]。

我國工業(yè)發(fā)展由于歷史問題等因素，起步晚、發(fā)展慢，使得我國工業(yè)技術水平在整體上落后于國外。此外，由于我國計算機技術發(fā)展緩慢，因此，在三維測量技術研究方面暫時落后于西方國家。但是，隨著我國最近幾十年的發(fā)展，經(jīng)濟騰飛，工業(yè)技術得到突破，三維測量技術需求不斷上升，國內(nèi)一些大學和相關研究機構對三維測量技術進行了重點研究。例如，傅里葉變化輪廓術、光學三維密集點云測量、數(shù)字近景工業(yè)三維攝影測量、三維高精度光學定位技術、納米級光學三維測量等，成果豐碩[7]。四川大學、西安交通大學、清華大學、華中科技大學、天津大學和浙江大學等一系列高校都對三維測量技術的發(fā)展做出了重要貢獻，其中一些研究成果在世界領先。

3 結構光測量系統(tǒng)中的關鍵技術

3.1 系統(tǒng)標定

結構光三維測量系統(tǒng)標定分為相機標定和投影儀標定[8]。利用相機成像模型，確定世界坐標[Xw，Yw，Zw]和相機像素坐標[x，y]之間的轉換關系：

[xy=λXwYwZw] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中[，][λ]代表相機的內(nèi)外參數(shù)。

相機標定方法種類繁多，發(fā)展得也比較成熟，其可分為傳統(tǒng)相機標定方法、主動視覺標定法和自標定法[9]。傳統(tǒng)的標定方法是利用一個已知幾何參數(shù)的標定板作為參照，建立攝像機模型，通過一定的算法獲取相機參數(shù)。傳統(tǒng)相機標定方法中應用較為廣泛的是張正友標定法。主動視覺的標定方法則不需要標定板，而是根據(jù)相機的運動信息來進行標定。但該方法要求設備精度高，操作方法復雜，實際應用中較為不方便。自標定法即不需要使用外部設備，就能進行相機標定。但該方法魯棒性差，測得的精度也不高，發(fā)展還不成熟。

投影儀的標定則需要借助相機的標定來完成，利用的方法是反向投影法。一般將投影儀看成是逆向的相機來建立投影儀的標定模型，從而實現(xiàn)投影儀的標定，而且標定精度較高。

3.2 相位提取

三維測量中的相位提取技術非常重要，其影響整個測量系統(tǒng)的精度。根據(jù)結構光三維測量技術流程，將具有編碼的結構光投射到物體表面，利用相機采集圖像，然后分析解碼計算出各點的相位值，最后與原始編碼圖像進行對比，實現(xiàn)空間坐標點和圖像像素點之間的匹配[10]。

所以說，相位提取就是一個編碼與解碼的過程。結構光的編碼方式較多，具有代表性的有二灰度級編碼、時間編碼、格雷碼與相移結合、彩色編碼等。其中，彩色編碼技術已成為主要研究方向[11]。目前，相移結構光三維測量技術的發(fā)展已經(jīng)相對成熟，由于具有高精度、高效率、魯棒性強等優(yōu)點被廣泛使用。

4 結構光三維測量技術發(fā)展趨勢

當今，科學技術發(fā)展日新月異，三維測量技術也應工業(yè)生產(chǎn)的需求得到快速發(fā)展。結構光三維測量技術已經(jīng)廣泛應用于機械加工、質量檢測、數(shù)字化文物、虛擬現(xiàn)實、醫(yī)療服務等領域[12]。

結構光三維測量技術因其系統(tǒng)設計本身或其設備過于笨重，往往不能滿足特殊工作場地的要求，需要進一步完善。需要改善的地方主要有以下幾方面：測量設備體積小型化;提升測量實時性;降低測量產(chǎn)品成本;提高測量精度;完善模型重建算法。

5 結語

本文對結構光三維測量技術的發(fā)展情況進行了總結。傳統(tǒng)的三維測量技術已經(jīng)不能滿足于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求，結構光三維測量技術應運而生。其以精度高、速度快、適用范圍廣等優(yōu)點得到迅速發(fā)展。國內(nèi)外研究機構對結構光三維測量技術進行了大量研究，結構光三維測量已經(jīng)成為非接觸式測量技術中較為成熟的測量手段。

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