結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)研究進(jìn)展

張靜 呂柳 閆愛民

摘 ?要： 結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)作為一種主動非接觸式成像技術(shù)，不但可以保存物體的三維空間信息，而且可以完整地復(fù)現(xiàn)物體的空間三維圖像.該技術(shù)在高精度、高分辨率復(fù)原物體輪廓方面有著重要的意義.該文綜述了基于不同結(jié)構(gòu)光的3種成像方法，重點(diǎn)介紹了基于面結(jié)構(gòu)光的成像方法及其關(guān)鍵技術(shù)，最后對結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望.

關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)光; 3D成像技術(shù); 條紋投影

Abstract： As an active non-contact imaging technology， structured light 3D imaging technology can be used not only preserve 3D spatial information of objects， but also to reconstruct the 3D spatial image of objects completely， which had a great significance in the restoration of object contour with high precision and resolution. In this paper， three imaging methods based on different structured light are introduced， and the imaging methods based on surface structural light and its key technologies applied were mainly introduced. Finally， 3D imaging technology of structural light was summarized and prospected.

Key words： structural light; 3D imaging technology; fringe projection

0 ?引 言

隨著科技水平的不斷發(fā)展，物體2D圖像信息已經(jīng)不能滿足人們的生產(chǎn)生活需求，3D成像技術(shù)越來越受到關(guān)注.激光3D成像是一種無需物理接觸便可獲得物體信息的技術(shù)，被認(rèn)為是當(dāng)前最有效和可靠的獲取物體3D空間信息的技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)和智能機(jī)器等領(lǐng)域[1].

自20世紀(jì)50年代，人們就開始對3D測量與成像方面的相關(guān)技術(shù)開展了研究.經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，結(jié)合當(dāng)今工業(yè)、國防等領(lǐng)域的不同需求，人們提出了多種3D輪廓測量技術(shù)[2-6]，主要包括接觸式和非接觸式兩大類.接觸式方法需要通過測量工具與物體接觸來進(jìn)行測量，但是會對被測物體產(chǎn)生擠壓，從而導(dǎo)致被測物體發(fā)生形變，測量精度有限;而非接觸式方法無需直接接觸被測物體，便可獲得物體的3D空間信息.結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)就是非接觸成像方法的一種，相比于接觸式成像方法，具有視場大、非接觸、速度快、精度高等特點(diǎn)[7].結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)根據(jù)投影光的結(jié)構(gòu)形式，分為點(diǎn)、線、面結(jié)構(gòu)光法[8].本文作者綜述了這3種類型的結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)，其中重點(diǎn)介紹基于面結(jié)構(gòu)光的3D成像技術(shù)及其關(guān)鍵，最后進(jìn)行了總結(jié)和展望.

1 ?結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)

結(jié)構(gòu)光技術(shù)起源于傳統(tǒng)的立體視覺方法，通過模仿人的感知系統(tǒng)來復(fù)原3D信息.結(jié)構(gòu)光技術(shù)用投影儀取代了立體視覺方法的一個攝像機(jī)，并主動投影已知特征點(diǎn)[9].結(jié)構(gòu)光3D成像系統(tǒng)主要由投影裝置、被測物體、接收裝置、計算機(jī)處理系統(tǒng)組成，如圖1所示.該系統(tǒng)首先通過投影裝置向被測物體表面投射出經(jīng)過編碼的圖案，被測物體對此圖案進(jìn)行調(diào)制，從而使得編碼圖案發(fā)生畸變，畸變程度與被測物體表面的深度、投影裝置，及接收裝置的位置有關(guān).再通過接收裝置對畸變后的圖案進(jìn)行接收，接收到的圖案即為被測物體深度信息的體現(xiàn).最后利用計算機(jī)處理系統(tǒng)對畸變圖案進(jìn)行解調(diào)，便可實(shí)現(xiàn)對被測物體的3D重構(gòu).

根據(jù)投影的不同性質(zhì)結(jié)構(gòu)光，可將結(jié)構(gòu)光3D成像方法分為：點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法、線結(jié)構(gòu)光法和面結(jié)構(gòu)光法[10].點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法又可分為單點(diǎn)式和多點(diǎn)式2種，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.其工作過程為：首先將一束呈點(diǎn)狀的激光束投射到被測物體表面;然后用攝像機(jī)對該點(diǎn)進(jìn)行跟蹤拍攝，通過分析拍攝到的點(diǎn)的信息，反演出被測點(diǎn)的坐標(biāo);再利用攝像機(jī)和激光發(fā)射器之間存在確定的位置關(guān)系，通過標(biāo)定后可確定光點(diǎn)實(shí)際的空間位置坐標(biāo).多點(diǎn)式結(jié)構(gòu)光是通過一定的技術(shù)投射光點(diǎn)陣列到被測物體上，用攝像機(jī)跟蹤拍攝后對結(jié)構(gòu)光光斑的空間信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用3D曲面擬合的手段來獲得被測物體的輪廓信息，實(shí)現(xiàn)3D成像.點(diǎn)結(jié)構(gòu)光成像具有原理簡單、使用方便和精度較高的特點(diǎn)，但是在采集信息的過程中，點(diǎn)狀激光掃描速度慢，獲得的信息量少.

將點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法中的點(diǎn)激光器換成線激光器，可拓展為單線結(jié)構(gòu)光法和多線結(jié)構(gòu)光法2種類型.單線結(jié)構(gòu)光法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：首先用線激光器在被測物體的表面投射一個2D的條狀光斑，不同深度的3D物體表面對條狀光斑的調(diào)制不同，用攝像機(jī)對調(diào)制后的2D條狀光斑的圖案進(jìn)行拍攝，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)和系統(tǒng)標(biāo)定，提取出物體的3D信息.多線結(jié)構(gòu)光法是將投射到物體表面的激光光束變?yōu)槎鄺l條狀光斑，增大了光斑面積，然后再通過攝像機(jī)拍攝經(jīng)過多次深度物體調(diào)制后的光斑圖樣，經(jīng)數(shù)據(jù)處理解調(diào)出物體的輪廓信息.線結(jié)構(gòu)光法比點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法能采集更多被測物體的位置和深度信息，同時提高了信息采集的速度和測量效率，成像分辨率也有所提高.

面結(jié)構(gòu)光法[11]又稱為編碼結(jié)構(gòu)光成像法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.面結(jié)構(gòu)光法中，投射到被測物體上的是一組經(jīng)過特殊編碼的結(jié)構(gòu)光圖案，例如條紋光柵、正弦光柵、疊柵條紋和波帶片等.這些編碼圖案被物體調(diào)制后，被攝像機(jī)和相應(yīng)接收裝置接收，然后再通過解碼、標(biāo)定和三角測量等方法來解調(diào)出物體的3D輪廓信息.相比點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法和線結(jié)構(gòu)光法，面結(jié)構(gòu)光法由于采用了編碼結(jié)構(gòu)光，某些特殊的結(jié)構(gòu)光圖案還兼有振幅和相位同時調(diào)制的功能，因此，測量精度更高，可以達(dá)到0.01 mm[12]，而且由于其無需掃描便可獲得物體的3D空間信息，擁有更快的測量速度.

2 ?面結(jié)構(gòu)光法的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)光編碼方法

根據(jù)編碼策略的不同，編碼方法可以分為3類：時間編碼[13]、空間編碼[14]和直接編碼[15-17].時間編碼是根據(jù)不同的時間次序向被測物體依次投影一組不同編碼圖案，由相機(jī)獲得經(jīng)被測物體調(diào)制后的圖案組，再經(jīng)過計算機(jī)處理進(jìn)行3D成像的一種方法.這種方法測量精度較高且解碼較容易，抗干擾性強(qiáng)，但需要多次投影編碼圖案，所以不太適合物體的實(shí)時測量，常應(yīng)用在靜態(tài)測量方面.常用的時間編碼法有二值編碼、格雷碼編碼等.格雷碼的編碼方法最早由GRAY[18]提出.在格雷碼中，遵循任意兩個相鄰的代碼只有一位二進(jìn)制數(shù)不同的規(guī)律，且由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅一位數(shù)不同，即“首尾相連”，格雷碼又稱循環(huán)碼或反射碼.WU等[19]提出一種時間重疊格雷碼編碼策略，該方法可以解決基于格雷碼方法中的跳轉(zhuǎn)錯誤問題，而不需要使用額外的模式，同時他們的研究表明：時間重疊格雷碼編碼策略可顯著提高基于格雷碼的方法在高速測量中的編碼效率.

空間編碼只需要向被測物體投射一幅或者少數(shù)幾幅編碼圖案，由相機(jī)獲得每次經(jīng)被測物體調(diào)制后的圖案后，每個像素點(diǎn)可以通過其鄰域內(nèi)像素點(diǎn)的信息來確定，再通過對獲得的投影圖案進(jìn)行解碼和計算得到被測物體的空間3D信息.該方法分辨率和處理速度較低且譯碼要求較高，但僅需要一次投影便可得到被測物體的深度信息，在動態(tài)場景測量方面較為常用.空間編碼法有De Bruijn序列編碼、非規(guī)則編碼、M-arrays編碼等.

直接編碼對投影圖案上的每個像素點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)編碼，僅需要向被測物體投射一幅編碼圖案便可對被測物體進(jìn)行3D重構(gòu).因此，直接編碼方法需要用周期和顏色來對圖案進(jìn)行編碼，解碼方法復(fù)雜且由于投影的像素點(diǎn)易與被測物體表面的顏色干擾，抗噪聲干擾能力弱.

根據(jù)使用場景的不同，結(jié)構(gòu)光的編碼分為散斑編碼、二進(jìn)制編碼和相位編碼等.在這些編碼方式中，相位編碼是最獨(dú)特的一種結(jié)構(gòu)光編碼方式.從激光發(fā)射器出射的激光具有振幅、相位、偏振和波長等多個物理參數(shù).在光學(xué)系統(tǒng)中，相位并不是一個可以直接觀測的物理量，而通常以條紋結(jié)構(gòu)光投影的方式實(shí)現(xiàn)，因此采用相位編碼的結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)又被稱為條紋投影輪廓術(shù)，該技術(shù)是一種通過分析條紋圖形來重建3D信息的方法.與其他結(jié)構(gòu)光編碼方式相比，相位編碼有幾個顯著的優(yōu)點(diǎn)：1） 相位不受其他無關(guān)信息的影響，適應(yīng)性好;2） 3D重建時，獲得的深度像具有很高的數(shù)據(jù)密度;3） 相位分布的連續(xù)性保證了3D重建的精度;4） 條紋結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生的多樣性為系統(tǒng)的搭建提供了更多的選擇性.條紋投影輪廓術(shù)[20-22]的經(jīng)典系統(tǒng)如圖5所示，采用投影裝置在被測物體上投射條紋，利用CCD相機(jī)拍攝經(jīng)物體調(diào)制后的編碼圖案，然后進(jìn)行3D重建，對采集的變形條紋圖，利用相位恢復(fù)算法計算出相位圖[23].根據(jù)所使用的相位恢復(fù)算法不同，條紋投影輪廓術(shù)可分為兩種類型：一種是傅里葉變換輪廓術(shù)[24-29]，通過傅里葉變換、頻域選擇、逆傅里葉變換的過程來計算被測物體的相位;另一種是相移測量輪廓術(shù)[30-33]，通過相移算法來計算相位，又被稱為相位測量輪廓術(shù).

2.1.1 相位測量輪廓術(shù)

SRINIVASAN等[34]首次提出了相位測量輪廓術(shù)，通過將一系列具有確定相位差的光柵圖案投影到被測物體上來獲得相位信息.如果所投影的光柵圖像數(shù)目為N，則相鄰兩幅圖像之間的相位差可表示為，第幅光柵圖像的光強(qiáng)利用四步相移法所投影的光柵被待測物體表面輪廓調(diào)制后，光柵條紋移動產(chǎn)生的圖案如圖6所示.由于整個測量空間中存在多個相位周期，通過對獲得的相位進(jìn)行展開，可以得到整幅圖像的絕對相位值.該方法具有速度快、精度高、分辨率高、穩(wěn)健性好等優(yōu)點(diǎn).

ZENG等[35]提出了一種改良的階梯相位編碼條紋，該方法是將正弦條紋與相位編碼條紋的每個階梯相位的寬度比設(shè)為1∶N，從相位編碼條紋中提取出條紋階數(shù)，乘以偏移量，從而輔助相位展開.階梯式相位編碼條紋算法的設(shè)計步驟為：

2.1.2 傅里葉變換輪廓術(shù)

1983年，TAKEDA等[36]提出利用傅里葉變換改進(jìn)條紋投影輪廓的方法.該方法是通過在頻域上對空間信息進(jìn)行處理，再經(jīng)過濾波處理、傅里葉變換、求取條紋主值相位等步驟來實(shí)現(xiàn)物體的3D成像[25].傅里葉變換輪廓術(shù)投影原理和成像示意圖如圖7所示.

在實(shí)際應(yīng)用中，采用傳統(tǒng)的傅里葉變換輪廓術(shù)求得需要的相位值，必須經(jīng)過非常復(fù)雜的計算過程，而且噪聲比較大，同時由于采用了濾波的方法，表面復(fù)雜的物體頻譜會發(fā)生混疊，導(dǎo)致測量效果不理想.為了解決上述問題，人們提出了多種改進(jìn)的傅里葉變換輪廓術(shù).QIAN[37-38]提出了加窗傅里葉變換的方法，該方法采用了2D加窗傅里葉變換對相位和相位導(dǎo)數(shù)進(jìn)行測定，并提出了2種策略：一種是基于條紋模式的濾波概念策略;另一種是基于條紋模式與加窗傅里葉元素之間的相似性度量策略.HUANG等[39]的研究表明：加窗傅里葉變換是一種非常有效的條紋模式分析方法.此外，QIAN[40]在加窗傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展了加窗傅里葉濾波和加窗傅里葉脊兩種算法.

從加窗傅里葉變換和傅里葉變換的相似性可知：可以通過處理條紋圖的加窗傅里葉變換譜來過濾條紋圖[41].因此，一個條紋圖案能夠通過上述方法被轉(zhuǎn)換成它的光譜.由于其隨機(jī)性和與加窗傅里葉變換基的不相干性，噪聲通常以非常小的系數(shù)滲透到整個譜域.因此，如果頻譜系數(shù)的幅度小于預(yù)設(shè)閾值，則可以通過丟棄頻譜系數(shù)來抑制它.另一方面，加窗傅里葉濾波可以應(yīng)用于所有4種類型的條紋圖，加窗傅里葉濾波給出一個指數(shù)場，從中可以提取相位.這類似于用載波條紋圖解調(diào)的傳統(tǒng)傅里葉變換技術(shù).加窗傅里葉脊是另一種處理條紋圖案的算法，在該算法中，僅考慮像素周圍的一小塊條紋圖案，并將其與加窗傅里葉變換元素進(jìn)行比較.其中，和的值不斷變化.可給出最高的相似性的加窗傅里葉變換元素，通常被稱為脊[42-43].另外，將最大化相似性的和的值作為像素處的局部頻率，所有像素的局部頻率可以通過滑動塊來估計.

2.2 相位展開方法

相位展開技術(shù)[44]是結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)中的核心技術(shù)，目前已經(jīng)提出了多種相位展開算法，主要分為兩大類：空間相位展開算法和時間相位展開算法[45].這2類相位展開算法展開的依據(jù)有著本質(zhì)的區(qū)別.時間相位展開法是由HUNTLEY等[46]提出的，此方法中投影圖案的頻率與時間相關(guān)，通過接收裝置可以接收到一組發(fā)生形變的圖像，這些圖像可以被看作是在時間線上展開的序列，不需要在2D圖像上尋找路徑.此外，可以對這組圖像上每一個獨(dú)立點(diǎn)的相位根據(jù)時間軸展開，求出真實(shí)的相位.這種方法可以避免誤差傳輸?shù)默F(xiàn)象，也可以避免圖像中噪聲點(diǎn)對相位展開的影響，所以對于表面變化較大或者有裂痕的物體的測量比較有效.此外，還有一些關(guān)于時間相位展開的算法，如：多頻外差法、線性相位展開、線性擬合時間相位展開、擬合指數(shù)時間相位展開、傅里葉變換修正方法等.

空間相位展開算法[47-48]比時間相位展開法簡單，通過把空間中相鄰兩像素點(diǎn)的相位值和相位跳變理論相結(jié)合來獲得真實(shí)相位，主要有基于路徑的相關(guān)算法和基于最小范數(shù)法兩類.基于路徑的典型相關(guān)算法有：枝切法、掩模阻斷法、以質(zhì)量為導(dǎo)向的路徑相關(guān)法和最小不連續(xù)算法等.基于最小范數(shù)的典型算法有：最小LP范數(shù)相位展開算法、加權(quán)最小二乘相位展開法和未加權(quán)最小二乘相位展開法等.ZENG等[35]提出了一種基于條紋移位順序的相位展開算法，計算流程如下：

2.3 系統(tǒng)標(biāo)定方法

結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中非常廣泛，人們根據(jù)不同的需要提出多種標(biāo)定方法[49]，主要分為3種類型：傳統(tǒng)標(biāo)定法、自標(biāo)定法和基于主動視覺的標(biāo)定法.

傳統(tǒng)標(biāo)定法是通過場景信息進(jìn)行標(biāo)定的，使用結(jié)構(gòu)已知、加工精度高的標(biāo)定塊作為空間參考，通過空間點(diǎn)與圖像點(diǎn)之間的關(guān)系來對應(yīng)關(guān)系建立攝像機(jī)模型參數(shù)的約束，然后通過優(yōu)化算法得到需要的參數(shù)[13].傳統(tǒng)標(biāo)定法精度高且可以使用任意的攝像機(jī)模型，但是它對標(biāo)定塊的精度要求較高且標(biāo)定分析過程復(fù)雜.主要研究方法有：直接線性變換法、直接非線性系統(tǒng)優(yōu)化法和兩步法.直接線性變換法由ABDEL-AZIZ等[50]提出，通過直接求解線性方程獲得相機(jī)參數(shù).由于該方法沒有考慮攝像機(jī)系統(tǒng)的非線性畸變，標(biāo)定精度較低.直接非線性優(yōu)化法通過攝像系統(tǒng)獲得2D圖像與實(shí)際點(diǎn)之間的非線性關(guān)系來獲得相機(jī)參數(shù).此方法由于采用了非線性的迭代運(yùn)算，計算量較大且不穩(wěn)定.兩步法由TSAI[51]提出，該方法將直接線性變換法和迭代算法相結(jié)合來獲得相機(jī)參數(shù)，具有簡單和運(yùn)算速度較快的特點(diǎn).

自標(biāo)定法由MAYBANK等[52]在20世紀(jì)90年代提出.相較傳統(tǒng)標(biāo)定法，自標(biāo)定法不需要標(biāo)定物體、采集控制點(diǎn)和控制線，僅需多幅圖像之間滿足Kruppa方程來獲得相機(jī)參數(shù)，因此具有應(yīng)用范圍廣和標(biāo)定靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是在使用過程中穩(wěn)健性差，精度低.基于主動視覺的標(biāo)定法是在已知攝像機(jī)的某些運(yùn)動數(shù)據(jù)信息的情況下，對攝像機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定的方法.這里的“某些運(yùn)動信息”可以指攝像機(jī)的純旋轉(zhuǎn)或者純平移運(yùn)動等[53].

在結(jié)構(gòu)光3D成像的各種方法中，系統(tǒng)標(biāo)定精度直接影響著3D成像的精度.CHEN等[54]提出了一種利用液晶顯示屏提供高密度參考點(diǎn)的3D標(biāo)定方法.為減小由折射率和液晶屏涂層厚度造成的相位誤差，建立了液晶屏的折射率模型.將液晶屏平行放置在相機(jī)前方的幾個位置，不僅可以確定絕對相位與深度的關(guān)系，還可以確定像素位置與X和Y坐標(biāo)之間的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用該方法能夠獲得更多的形狀數(shù)據(jù)，提高測量精度.

3 ?結(jié) 論

本文綜述了基于點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面結(jié)構(gòu)光的3D成像方法，重點(diǎn)介紹了面結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù).雖然基于結(jié)構(gòu)光的3D成像技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展日趨成熟，但是綜合近幾年文獻(xiàn)來看，未來該技術(shù)仍有以下幾個方面需要突破：1） 系統(tǒng)本身和設(shè)備體積較大，需進(jìn)一步使系統(tǒng)和設(shè)備體積趨于小型化;2） 面對動態(tài)物體，該技術(shù)的實(shí)時性需進(jìn)一步提高;3） 成像系統(tǒng)的成本較高，需進(jìn)一步降低成本;4） 面對微小結(jié)構(gòu)的成像，準(zhǔn)確度和精確度需進(jìn)一步提高.

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（責(zé)任編輯：顧浩然）