結(jié)構(gòu)光三維視覺測量

1、 應(yīng)用簡介
結(jié)構(gòu)光視覺方法的研究最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。在諸多的視覺方法中，結(jié)構(gòu)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(qiáng)及主動受控等特點(diǎn)，近年來在工業(yè)三維測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
2、 系統(tǒng)設(shè)計原理、方框圖、原理圖
結(jié)構(gòu)光三維視覺是基于光學(xué)的三角法測量原理。如圖所示，光學(xué)投射器（可以是激光器，也可以是投影儀）將一定模式的結(jié)構(gòu)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(diào)制的光條三維圖像。該三維圖像由處于另一位置的攝像機(jī)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(xué)投射器與攝像機(jī)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(jié)表示了平面的變化，不連續(xù)顯示了表面的物理間隙。當(dāng)光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對位置一定時，由畸變的二維光條圖像坐標(biāo)便可重現(xiàn)物體表面的三維形廓。結(jié)構(gòu)光三維視覺測量系統(tǒng)由光學(xué)投射器、攝像機(jī)、和計算機(jī)系統(tǒng)三部分構(gòu)成。
根據(jù)光學(xué)投射器所投射的光束模式的不同，結(jié)構(gòu)光模式可分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式、線結(jié)構(gòu)光模式、多線結(jié)構(gòu)光模式和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光模式。線結(jié)構(gòu)光模式復(fù)雜度低、信息量大，應(yīng)用最為廣泛。下圖為線結(jié)構(gòu)光打在標(biāo)定板和被測物體的光條圖像。
3、 選型原則、精度分析
結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的測量精度受諸多因素的影響，如攝像機(jī)本身的光學(xué)物理參數(shù)、光學(xué)投射器特征參數(shù)、傳感器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)及外界干擾源等等。在攝像機(jī)、光學(xué)投射測量環(huán)境一定的情況下，測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對測量精度影響很大。實驗和相關(guān)理論推導(dǎo)表明，測量點(diǎn)的定位誤差和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)性如下：
1）攝像機(jī)光軸和光平面垂直時，深度方向的測量誤差最小。
2）攝像機(jī)與光學(xué)投射器距離越遠(yuǎn)，測量誤差越小。
3）攝像機(jī)鏡頭放大倍率越小，測量誤差越?。贿@也表面被測物體離攝像機(jī)越遠(yuǎn)測量誤差越大。
當(dāng)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)確定以后，攝像機(jī)的參數(shù)對系統(tǒng)的測量精度至關(guān)重要。逐行掃描的CCD相機(jī)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(yīng)用。相機(jī)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(jī)、日本Computar 公司的16 mm焦距鏡頭、加拿大StockerYale公司生產(chǎn)的Lasiris激光投射器。具體產(chǎn)品參數(shù)如下：
1) CV-A1相機(jī)：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(chǎn)的模擬采集卡，可同時接6部黑白相機(jī)或者2部RGB彩色相機(jī)。