光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器原理分析

本文主要討論多線結(jié)構(gòu)光傳感器，即光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器。 隨著生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，人們對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的監(jiān)控水平的要求也越來越高，視覺檢測(cè)系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)線上檢測(cè)的實(shí)時(shí)性要求，并且具有一定的柔性，精度適中，因此得到了廣泛地應(yīng)用。一般來說，視覺檢測(cè)系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)光傳感器、多線結(jié)構(gòu)光傳感器、雙目視覺傳感器。

1光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器原理

光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器是一種基于主動(dòng)三角法的視覺傳感器。由光投射器在空間投射出一系列光平面，每個(gè)光平面通過攝像機(jī)建立與象平面間的透視對(duì)應(yīng)，幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)

在第K個(gè)光平面上以O(shè)(K)L為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系O(K)Lx(K)Ly(K)L,其它為攝像機(jī)模型結(jié)構(gòu)。則有點(diǎn)的象面坐標(biāo)與其在光平面坐標(biāo)的關(guān)系[1]如下：

可見，若要求得點(diǎn)的光平面坐標(biāo)必須知道點(diǎn)屬于哪個(gè)光平面。故光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器存在著光條的識(shí)別問題，通過光條編碼可以解決這個(gè)問題。

2結(jié)構(gòu)光編碼

2.1結(jié)構(gòu)光編碼問題概述

由于線結(jié)構(gòu)光傳感器獲得的信息較少（只能獲得一個(gè)光平面內(nèi)的位置信息），人們相應(yīng)地開發(fā)了光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器和網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)光傳感器。但點(diǎn)的匹配問題也相應(yīng)地出現(xiàn)了。

為了解決點(diǎn)的對(duì)應(yīng)問題，人們將投射的光進(jìn)行編碼。Altschulter[2]和Posdamer[3]采用了激光光閘的編碼技術(shù)。128×128激光網(wǎng)格通過一個(gè)可編程的空間光調(diào)制器投射到物體表面，在象面上產(chǎn)生點(diǎn)陣模型。可編程的空間光調(diào)制器[4]通過編程可以使某些激光束通過，而某些激光束被阻擋。通過對(duì)應(yīng)于不同激光束的一系列圖像，可以解決點(diǎn)的對(duì)應(yīng)問題。文獻(xiàn)[5]提出了一種使用灰度碼的時(shí)間序列編碼方案。對(duì)于通常的三維靜態(tài)物體，這兩種方法能夠很好地完成點(diǎn)的對(duì)應(yīng)，但對(duì)于動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的問題這些方法顯然不能使用。

對(duì)于動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的問題，我們希望有一種通過單一圖像即可解決點(diǎn)的匹配的方案。Boyer和Kav[6]使用一種彩色的光條，通過相鄰光條的顏色進(jìn)行編碼。Vysteke和Oosterlinck[6]將一種方的模板投射到物體上，模板是通過二值化編碼的。Minarv[6]等人提出了一種基于三級(jí)灰度等級(jí)的網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)光的編碼方法。

從上面的討論可以看出，網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)光可以利用二維信息進(jìn)行編碼，可利用的信息多，所以編碼問題比較容易解決。但網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)光傳感器不能進(jìn)行特征點(diǎn)的精確測(cè)量。為了完成特征點(diǎn)的精確測(cè)量，我們采用光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器。因此，需要研究光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器的編碼方案。

2.2寬度編碼的可行性

對(duì)于光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器，我們利用光條的寬度信息進(jìn)行編碼。要想利用光條的寬度進(jìn)行編碼。必須確保等寬的光條在象面上投影的寬度比等于1或接近1。根據(jù)透視變換原理，由分析可知，對(duì)于f=25mm的透鏡，在工作距離為400mm時(shí)相鄰兩光條寬度投影變化不大，故根據(jù)光條投影的寬度進(jìn)行編碼是可行的。圖2為將寬窄光條的寬度比作成2:1,投影在一個(gè)平板上，攝像機(jī)接收到的圖像，在象面上求得寬光條寬約20～25個(gè)象素，窄光條寬約11～15個(gè)象素?？梢妼捳鈼l可以很容易地區(qū)分開。

圖2二進(jìn)制編碼的光條圖象

3二進(jìn)制編碼方法

3.1n位二進(jìn)制編碼方法

圖3為結(jié)構(gòu)光投射器原理，投射器模板的圖樣模式基本上決定了光平面和物體表面相交后的光條圖樣。光柵式結(jié)構(gòu)光傳感器的編碼就是通過對(duì)模板上的圖樣模式編碼來實(shí)現(xiàn)的。

圖3光柵式結(jié)構(gòu)光投射原理

在模板上刻一系列寬窄不同的兩種線條組成的圖案，該模板經(jīng)投射形成的光平面和物體相交后形成的圖樣是一系列寬窄不同的光條。在模板上按二進(jìn)制方式對(duì)圖樣進(jìn)行編碼。用“0”表示窄光條，用“1”表示寬光條。將所有的光條按順序分組，每組對(duì)應(yīng)一個(gè)序號(hào)，用一個(gè)二進(jìn)制碼表示每組的序號(hào)，該二進(jìn)制碼和該組的圖案相對(duì)應(yīng)。例如用三位二進(jìn)制碼表示每組的序號(hào)，序號(hào)為4的那一組用二進(jìn)制碼“100”表示，相應(yīng)的線條圖案為“寬”、“窄”、“窄”。假設(shè)用n位二進(jìn)制碼表示每組對(duì)應(yīng)的序號(hào)，則線條模式共有2n個(gè)分組，于是最多可以對(duì)n.2n個(gè)光條進(jìn)行編碼。圖4給出了一個(gè)用三位二進(jìn)制編碼的模板圖樣。

圖4三位二進(jìn)制編碼圖樣