你认为结构光的概念和实现三维成像的主要原因是什么?

作者&投稿:蒋纯 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
结构光的概念及其实现三维成像的主要原理是什么?~

奥比中光3D结构光、3D传感摄像头能让硬件设备拥有一双感知环境的“智慧之眼”,并拥有人脸识别、手势识别、人体骨架识别、三维测量、环境感知、三维地图重建等数十项功能,可广泛运用于电视、手机、机器人、无人机、物流、VR/AR、智能家居安防、汽车驾驶辅助等领域。

它是一个视觉原理,是通过一个光源投射出一束结构光,打到想要测量的物体上表面,因为物体有不同的形状,会对这样的一些条纹或斑点发生不同的变形,有这样的变形之后通过算法可以计算出距离、形状、尺寸等信息从而获得物体的三维图像。
3D结构光技术既不需要用很精准的时间延时来测量又解决双目中匹配算法的复杂度和鲁棒性问题,所以具有计算简单、测量精度较高的优势;而且对于弱光环境、无明显纹理和形状变化的表面同样都可进行精密测量。

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。



所有结构光三维扫描的基本原理都是三角测量,也就是空间的两个相交的直线确定空间一点。所以要找出每一个点所在的两条直线,为了找出这俩东西,才把光搞成已知的图案。比如单点的激光本身就是一条线,相机反向发射出另一条线,交点就是实际点的坐标。线激光,投影图案也是一样的。另外,这个图案一直改进,越来越复杂,一个原因是为了压缩需要投影的图像数量,另一个原因是为了改善精度和可靠性。结构光成像可以理解为蝙蝠的超声波探测视野一样,有一个发射激光的装置和一个接收激光反弹的传感器组成。结构光打到物体表面即产生反弹,被传感器所接收,物体表面的结构信息即能被记录下来。



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。

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。




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