結(jié)構(gòu)光三維測量幾種比較成熟的方法分享

1.飛行時間發(fā)

原理：通過直接測量光傳播的時間，確定物體的面型。發(fā)射脈沖信號，接受發(fā)射回的光，計(jì)算距離。

精度：毫米級

優(yōu)點(diǎn)：原理簡單，可避免陰影和遮擋等問題，且儀器便攜化。

缺點(diǎn)：精度相對較低

2.莫爾條紋法

原理：采用兩組光柵，一個主光柵，一個基準(zhǔn)光柵，通過基準(zhǔn)光柵來檢測輪廓表面的主光柵，并根據(jù)條紋規(guī)律來推算物體的輪廓面型。

優(yōu)點(diǎn)：過程運(yùn)算量小，比較容易實(shí)現(xiàn)快速測量。

缺點(diǎn)：單從莫爾等高線不能判定物體凹凸，且光柵制作存在局限性，一般應(yīng)用于工業(yè)在線質(zhì)量檢測。

主要兩類：影像型莫爾條紋和投影型摩爾條紋

①影像型摩爾條紋

優(yōu)點(diǎn)：測量精度高

缺點(diǎn)：要求較大光柵面積，至少覆蓋待測輪廓，且光柵要緊挨待測物體

②投影莫爾法

將一個光柵投射到被測物體上，旁邊使用另一個光柵觀測行程的摩爾條紋，分析觀測到的摩爾條紋，就可得到深度信息。

優(yōu)點(diǎn)：適合測量較大物體。

3.立體視覺法

原理：由多幅圖像（一般兩幅）來獲取物體三維幾何信息的方法。主要模仿生物，幾乎所有具備視覺的生物，都是兩個眼睛。利用成像設(shè)備從不同位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過計(jì)算圖像對應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差，來獲取物體的三維幾何信息。

優(yōu)點(diǎn)：原理簡單，對材質(zhì)顏色等物面性質(zhì)及背景光等環(huán)境因素要求較低，在超大型三維測量如建筑物測量中具有不可替代的優(yōu)勢。 缺點(diǎn)：系統(tǒng)需要預(yù)先標(biāo)定，當(dāng)測量環(huán)境發(fā)生變化時，相機(jī)參數(shù)需要重新調(diào)節(jié)。很難獲取無紋理區(qū)域的信息。

4.激光三角法

原理：線掃描法的一種，是用線光源投射到待測物體表面，然后經(jīng)過一側(cè)一維的掃描，獲得整個物體的深度信息。

每次投射器投射一條光線到物體上，攝像機(jī)對帶有光條紋的物體成像，圖像上的光線特征恰恰對應(yīng)投射器的光線。根據(jù)三角測量原理，可確定落在物體上光線的深度信息。

優(yōu)點(diǎn)：原理簡單，精度較高，因?yàn)槭褂脝紊院玫募す馐沟眠@種方法很少受物體表面紋理的影響相對較穩(wěn)定，因此激光三角法在精度要求較高、環(huán)境較為復(fù)雜的工業(yè)檢測領(lǐng)域，應(yīng)用非常廣泛

缺點(diǎn)：由于單幀圖像得到的信息非常有限，激光三角法還需要一次一維的移動掃描，這也導(dǎo)致該方法效率較低。

5.結(jié)構(gòu)光技術(shù)

是一種主動的三角測量技術(shù)。

原理：由光源投射可控制的光點(diǎn)、光條或光面結(jié)構(gòu)，光在物體表面形成特征點(diǎn)，線或者面，并由成像系統(tǒng)捕獲圖像， 得到特征點(diǎn)的投射角，然后根據(jù)標(biāo)定出的空間方向、位置參數(shù)，利用三角法測量原理計(jì)算特征點(diǎn)與攝像機(jī)鏡頭主點(diǎn) 之間的距離。

幾種比較典型的編碼結(jié)構(gòu)光方式：

根據(jù)編碼圖案，將編碼結(jié)構(gòu)光分為了離散編碼和連續(xù)編碼兩大類。

如圖1．6所示。若沿著一行掃描編碼結(jié)構(gòu)光的數(shù)字投影條紋圖案，我們會發(fā)現(xiàn)離散編碼的圖案中， 碼字(codeword)相同的區(qū)域其掃描輪廓線的值也是一樣的， 而相同碼字區(qū)域的大小也很大程度上代表了重構(gòu)出來的三維點(diǎn)云的密度； 然而，在連續(xù)編碼圖案上，掃描輪廓線則為一條連續(xù)平滑的亮度曲線，在一個周期內(nèi)每個像素都有唯一的碼字， 正是如此，該方法才能夠獲得與圖像分辨率相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)云密度。 而時間編碼則是使用同一個像素點(diǎn)不同時間下的多個碼字來確定該點(diǎn)的位置信息。

當(dāng)然，也有一些方法結(jié)合時間和空間策略共同確定位置信息。

離散型空間編碼方法大致可以分為三類：基于De aruijn的編碼方法，基于M．a(chǎn)rray的編碼方法，非正式的編碼方法。

離散型時間編碼方法主要代表有：自然二進(jìn)制編碼，Gray碼。

離散型編碼可以通過空間域或時間域進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)。

空間編碼和時間編碼是通過碼字解碼的方式不同來區(qū)分的，空間編碼需要周圍相鄰碼字共同確定中心碼字的位置信息，

理論上講，連續(xù)性編碼方法既可以采用周期性模式，也可以采用非周期性模 式。然而非周期性模式往往限制了模板大小，目前圖像亮度等級有限，只有256 級的情況下，無法絕對唯一地標(biāo)識大范圍空間。因此，周期性模式圖像配合時間 域交叉技術(shù)獲得廣泛認(rèn)可。

連續(xù)性編碼方案中，最具有代表性的是相移輪廓術(shù)和傅里葉輪廓術(shù)。

①傅里葉變換輪廓術(shù)

圖1．7所示。輪廓測量法利用數(shù)字濾波技術(shù)，將頻率較高的載波和頻率較低的面形分離出來，然后進(jìn)行反變換，

得到包含高度信息的相位，在通過標(biāo)定得到的相位高度映射關(guān)系得到三維面型信息。傅里葉變換輪廓術(shù)只用一

幅圖就可以得到相位值測量面型信息，但該方法計(jì)算量大，使用FFT產(chǎn)生的泄漏、混頻、柵欄效應(yīng)等會產(chǎn)生誤差，

采用數(shù)字濾波器也需要不斷試錯才能得到正確的參數(shù)。

②相位測量輪廓術(shù)

相位測量輪廓術(shù)(PMP：Phase Measurement Profilometry)的基本思想就是

通過3F(F為相移法中采用的頻率個數(shù))張具有一定相位差的條紋圖來計(jì)算相位，然后再結(jié)合相位-高度映射關(guān)系式

計(jì)算出物體的高度分布。

相位測量輪廓術(shù)的原理同樣如圖1．7所示，將正弦光柵圖像投影到物體表面，同時用成像設(shè)備采集變形條紋。

然后開始投影第二幀正弦光柵圖案，同時采集這一幀的變形條紋……整個過程重復(fù)Ⅳ次，而每一幀圖案相對前一幀

的相移為2，r／N。

典型的幾種算法被廣泛應(yīng)用于實(shí)際測量中，分別是三步相移法，四步相移法，五步相移法和六步相移法。

相比傅里葉輪廓術(shù)，相位測量輪廓術(shù)運(yùn)算量要小很多，而且可以用查表法進(jìn)一步降低運(yùn)算量，這使得相位測量輪廓術(shù)在高速高精度實(shí)時三維測量中運(yùn)用的非常廣泛。

作者為CSDN博主iandbeyond，

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審核編輯：劉清