宋少哲 牛金星 張濤

摘 要：三維測量技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的重要課題，也是工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向之一。為獲取物體的三維信息，必須對物體進(jìn)行測量?；诮Y(jié)構(gòu)光的三維測量技術(shù)作為一種非接觸、主動(dòng)式的測量方法，有著廣泛的應(yīng)用前景。本文主要介紹了結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)的研究進(jìn)展，從三維測量技術(shù)開始探討，對結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并提出測量系統(tǒng)中的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，最后分析了結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：三維信息;三維測量技術(shù);結(jié)構(gòu)光

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(rèn)識(shí)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(jìn)行定量測量。在對物體進(jìn)行測量的過程中，一些測量技術(shù)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(jìn)，測量技術(shù)水平不斷提高，其中基于結(jié)構(gòu)光的三維測量技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一。

1 三維測量技術(shù)概述

三維測量技術(shù)是獲取物體三維信息的一種技術(shù)，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(biāo)的方法[1]。物體的三維信息是人類認(rèn)識(shí)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(shù)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(jìn)行測量，是一種非常直觀且易實(shí)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(fèi)時(shí)間。為了彌補(bǔ)接觸式測量的不足，人們對非接觸式測量進(jìn)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(dòng)式測量和被動(dòng)式測量兩種[3]。被動(dòng)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(shè)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(dòng)式測量則是對受測物體發(fā)射測量信號來進(jìn)行測量。在主動(dòng)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(dòng)式測量包括激光測距法、結(jié)構(gòu)光法和信號干涉法等[3]。

結(jié)構(gòu)光法是主動(dòng)式測量技術(shù)中的一個(gè)重要方法，其利用被待測物體所調(diào)制的結(jié)構(gòu)光圖像結(jié)合三角測量原理來獲取物體的三維數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，如攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，測速快、精度高的結(jié)構(gòu)光測量法在行業(yè)內(nèi)逐漸受到肯定。

2 結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)研究現(xiàn)狀

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

國外對結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)的研究比國內(nèi)早很多年，部分發(fā)達(dá)國家在這方面的研究已經(jīng)非常成熟，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中?？梢詮募夹g(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)兩方面來了解國外結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)的發(fā)展。在技術(shù)研究方面，國外技術(shù)人員從點(diǎn)結(jié)構(gòu)光著手研究，然后過渡到線結(jié)構(gòu)光，再到面結(jié)構(gòu)光，從黑白結(jié)構(gòu)光到彩色結(jié)構(gòu)光，測量技術(shù)不斷得到創(chuàng)新。當(dāng)前的研究重點(diǎn)主要涉及彩色編碼技術(shù)、共聚焦技術(shù)等[5]。在產(chǎn)品開發(fā)方面，美國、日本等國家的研究機(jī)構(gòu)生產(chǎn)出了測量精度非常高的測量儀器，并且廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)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(shù)水平在整體上落后于國外。此外，由于我國計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢，因此，在三維測量技術(shù)研究方面暫時(shí)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(jì)騰飛，工業(yè)技術(shù)得到突破，三維測量技術(shù)需求不斷上升，國內(nèi)一些大學(xué)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對三維測量技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。例如，傅里葉變化輪廓術(shù)、光學(xué)三維密集點(diǎn)云測量、數(shù)字近景工業(yè)三維攝影測量、三維高精度光學(xué)定位技術(shù)、納米級光學(xué)三維測量等，成果豐碩[7]。四川大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)和浙江大學(xué)等一系列高校都對三維測量技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，其中一些研究成果在世界領(lǐng)先。

3 結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定分為相機(jī)標(biāo)定和投影儀標(biāo)定[8]。利用相機(jī)成像模型，確定世界坐標(biāo)[Xw，Yw，Zw]和相機(jī)像素坐標(biāo)[x，y]之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

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

其中[，][λ]代表相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

相機(jī)標(biāo)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(jī)標(biāo)定方法、主動(dòng)視覺標(biāo)定法和自標(biāo)定法[9]。傳統(tǒng)的標(biāo)定方法是利用一個(gè)已知幾何參數(shù)的標(biāo)定板作為參照，建立攝像機(jī)模型，通過一定的算法獲取相機(jī)參數(shù)。傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定方法中應(yīng)用較為廣泛的是張正友標(biāo)定法。主動(dòng)視覺的標(biāo)定方法則不需要標(biāo)定板，而是根據(jù)相機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息來進(jìn)行標(biāo)定。但該方法要求設(shè)備精度高，操作方法復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中較為不方便。自標(biāo)定法即不需要使用外部設(shè)備，就能進(jìn)行相機(jī)標(biāo)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(biāo)定則需要借助相機(jī)的標(biāo)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(jī)來建立投影儀的標(biāo)定模型，從而實(shí)現(xiàn)投影儀的標(biāo)定，而且標(biāo)定精度較高。

3.2 相位提取

三維測量中的相位提取技術(shù)非常重要，其影響整個(gè)測量系統(tǒng)的精度。根據(jù)結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)流程，將具有編碼的結(jié)構(gòu)光投射到物體表面，利用相機(jī)采集圖像，然后分析解碼計(jì)算出各點(diǎn)的相位值，最后與原始編碼圖像進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)和圖像像素點(diǎn)之間的匹配[10]。

所以說，相位提取就是一個(gè)編碼與解碼的過程。結(jié)構(gòu)光的編碼方式較多，具有代表性的有二灰度級編碼、時(shí)間編碼、格雷碼與相移結(jié)合、彩色編碼等。其中，彩色編碼技術(shù)已成為主要研究方向[11]。目前，相移結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。

4 結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)發(fā)展趨勢

當(dāng)今，科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，三維測量技術(shù)也應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需求得到快速發(fā)展。結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、質(zhì)量檢測、數(shù)字化文物、虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域[12]。

結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)因其系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身或其設(shè)備過于笨重，往往不能滿足特殊工作場地的要求，需要進(jìn)一步完善。需要改善的地方主要有以下幾方面：測量設(shè)備體積小型化;提升測量實(shí)時(shí)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(jié)語

本文對結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了總結(jié)。傳統(tǒng)的三維測量技術(shù)已經(jīng)不能滿足于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求，結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其以精度高、速度快、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)得到迅速發(fā)展。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)進(jìn)行了大量研究，結(jié)構(gòu)光三維測量已經(jīng)成為非接觸式測量技術(shù)中較為成熟的測量手段。

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