結構光三維視覺測量

1、 應用簡介
結構光視覺方法的研究最早出現(xiàn)于20世紀70年代。在諸多的視覺方法中，結構光三維視覺以其大量程、大視場、較高精度、光條圖像信息易于提取、實時性強及主動受控等特點，近年來在工業(yè)三維測量領域得到了廣泛的應用。
2、 系統(tǒng)設計原理、方框圖、原理圖
結構光三維視覺是基于光學的三角法測量原理。如圖所示，光學投射器（可以是激光器，也可以是投影儀）將一定模式的結構光投射于物體的表面，在表面形成由被測物體表面形狀所調制的光條三維圖像。該三維圖像由處于另一位置的攝像機攝取，從而獲得光條二維畸變圖像。光條的畸變程度取決于取決于光學投射器與攝像機之間的相對位置和物體表面形廓（高度）。直觀上，沿光條顯示出的位移（或偏移）與物體的高度成比例，扭結表示了平面的變化，不連續(xù)顯示了表面的物理間隙。當光學投射器與攝像機之間的相對位置一定時，由畸變的二維光條圖像坐標便可重現(xiàn)物體表面的三維形廓。結構光三維視覺測量系統(tǒng)由光學投射器、攝像機、和計算機系統(tǒng)三部分構成。
根據(jù)光學投射器所投射的光束模式的不同，結構光模式可分為點結構光模式、線結構光模式、多線結構光模式和網(wǎng)格結構光模式。線結構光模式復雜度低、信息量大，應用最為廣泛。下圖為線結構光打在標定板和被測物體的光條圖像。
3、 選型原則、精度分析
結構光視覺傳感器的測量精度受諸多因素的影響，如攝像機本身的光學物理參數(shù)、光學投射器特征參數(shù)、傳感器本身的結構參數(shù)及外界干擾源等等。在攝像機、光學投射測量環(huán)境一定的情況下，測量系統(tǒng)的結構參數(shù)對測量精度影響很大。實驗和相關理論推導表明，測量點的定位誤差和系統(tǒng)結構相關性如下：
1）攝像機光軸和光平面垂直時，深度方向的測量誤差最小。
2）攝像機與光學投射器距離越遠，測量誤差越小。
3）攝像機鏡頭放大倍率越小，測量誤差越小；這也表面被測物體離攝像機越遠測量誤差越大。
當系統(tǒng)的幾何結構確定以后，攝像機的參數(shù)對系統(tǒng)的測量精度至關重要。逐行掃描的CCD相機的動態(tài)范圍大、噪聲小、沒有奇偶行場頻接誤差，非常適合測量的應用。相機的分辨率越高、動態(tài)范圍越大，測量的精度就越高。一個典型的測量系統(tǒng)是：采用丹麥JAI公司百萬象素級的CV-A1相機、日本Computar 公司的16 mm焦距鏡頭、加拿大StockerYale公司生產的Lasiris激光投射器。具體產品參數(shù)如下：
1) CV-A1相機：1/2”靶面，1380*1035象素，逐行掃描，幀速16fps，模擬輸出，靈敏度0.3Lux
2) M1614-MP鏡頭：C接口，焦距16mm， F數(shù)1.4
3) PC2-Vision圖像采集卡：加拿大CORECO公司生產的模擬采集卡，可同時接6部黑白相機或者2部RGB彩色相機。