结构光 编辑 1、激光从激光器发出,经过柱面透镜后汇聚成宽度很窄的光带,称为结构光.该光平面以一定角度入射在工件上,在工件上产生反射和散射 2、已知空间方向的投影光线的集合称为结构光 3、生成结构光的设备可以是将光点、光缝、光栅、格网或斑纹投影到被测物体上的某种投影设备或仪器,也可以是生成激光束的激光器 结构光的英文是structured light 结构光标定方法：基于立体标靶的激光平面标定，斜面标定法。 结构光技术（部分） ( 17:12:56)转载 分类： 三维光学测量技术
结构光技术
结构光方法((Structured Light)是一种主动式光学测t技术，其基本原理是由结构 光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄 像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光 测量方法具有计算简单、体积小、价格低、大盆程、便于安装和维护的特点，在实际三 维轮廓测量中被广泛使用，但是测量精度受物理光学的限制，存在遮挡问题，测量精度 与速度相互矛盾，难以同时得到提高。
光点式结构光测量方法需要通过逐点扫描物体进行测量，图像摄取和图像处理需要 的时间随着被测物体的增大而急剧增加，难以完成实时测量。用线结构光代替点光源， 只需要进行一维扫描就可以获得物体的深度图，图像获取和图像处理的时间大大减少 (io)。如图1.3为线结构光的示意图，利用辅助的机械装置旋转光条投影部分，从而完成 对整个被测物体的扫描。
当采用光面结构光时，将二维的结构光图案投射到物体表面上，这样不需要进行扫 描就可以实现三维轮廓测量，测量速度很快，光面结构光中最常用的方法是投影光栅条 纹到物体表面[}m,i2}。如图1.4所示为面结构光的示意图。
当投影的结构光图案比较复杂时，为了确定物体表面点与其图像像素点之间的对应 关系，需要对投射的图案进行编码，因而这类方法又称为编码结构光测量法。图案编码 分为空域编码和时域编码。空域编码方法只需要一次投射就可获得物体深度图，适合于 动态测量，但是目前分辨率和处理速度还无法满足实时三维测量要求，而且对译码要求 很高。时域编码需要将多个不同的投射编码图案组合起来解码，这样比较容易实现解码， 但要求投射的空间位置不变，而且难以实现实时测量.主要的编码方法有二进制编码、 二维网格图案编码、随机图案编码、彩色编码、灰度编码、邻域编码、相位编码以及混 合编码等【13,14]0
结构光方法还有一类测量方法，原理是将光栅图案投射到被测物表面，受物体高度 的调制，光栅条纹发生形变，这种变形条纹可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信 号。采集变形条纹并且对其进行解调可以得到包含高度信息的相位变化，最后根据三角 法原理计算出高度，这类方法又称为相位法。基于相位测量的三维轮廓测量技术的理论 依据也是光学三角法，但与光学三角法的轮廓术有所不同，它不直接去寻找和判断由于 物体高度变动后的像点，而是通过相位测量间接地实现，由于相位信息的参与，使得这 类方法与单纯光学三角法有很大区别。
目前编码结构光法和相位法已成为三维轮廓测盘中的两个发展方向。相对编码结构 光法而言，相位测量法不需要复杂的编码，同时由于每一个图像像素点都可以获得三维 数据，可以实现真正的全场测量，并且分辨率高，但是相位测量法需要对折叠相位进行 展开，而目前大多数的相位展开方法都需要人为干预，这是实现该方法自动化的最大障 碍。本文采用基于投影正弦光栅的相位测量法。
近年来基于相位的光栅投影三维轮廓测童技术有了很大的发展，出现了很多新的方 法和算法，但是离实际应用要求还有很大的差距。光栅条纹所包含的相位信息是关心的 重点，相位法三维轮廓测量的处理步骤主要包括相位解调、相位展开、物体高度与相位 关系标定和三维数据计算。就目前而言，相位法的主要难点在于投影方式、相位展开和 系统标定:新出现的投影仪可以在计算机的控制下改变投影图案，具有很好的适应性， 但是分辨率不高;对于相位展开问题，尽管人们提出了很多相位展开算法，但是都只是 针对某一种干扰，无法满足一般要求。
对于结构光三维轮廓测量方法，目前也出现了一种发展趋势，即相位法与其它编码 技术的结合。光栅投影技术实际上也是一种相位编码方式，如投影正弦光栅，与其它方 式相比其优点在于可实现较高的测量分辨率，不足之处在于由于投影的正弦条纹具有周 期性，以及其他不利因素的影响使得相位展开困难.编码结构光测量方法缺点在于测量 的离散性，每一条光栅有一个离散值，因此仅能进行有限的条纹数编码，限制了测量的 精度，在要求较高测量精度时，需要复杂的编码方式.将两种方法结合起来成为解决两 种方法缺点的很好选择，如将格雷编码(GSM, Gray Code Method)与相移法(PSM, Phase Shift Method)结合。
将结构光图像投射到被测物表面，从另一角度可以观察到由于受物体高度的调制而 变形的条纹，这种变形可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。采集变形条纹并 对其进行解调，恢复出相位信息，进而由相位确定出高度，这就是基于相位的结构光方 法的基本原理。这里以典型的交叉光轴系统来说明测量原理，如图2.1 a
OP是投影系统透镜的光轴，它与成像透镜的光轴OC交于点D o OX所在平面为参 考平面(可以是虚拟的，也可以是真实存在的)，OC垂直参考面。P和C分别为投影 透镜出瞳中心和成像透镜的入瞳中心，两点的连线与参考面平行，距离为d，离参考平 面的距离为1。正交坐标系的XOY平面位于参考平面上，Y轴垂直于XOZ平面与X轴交 于O点，Z轴平行于成像透镜光轴。投射光栅交于物体表面点H} H成像在像面上H'光栅投影轮廓测量的系统标定技术
光栅投影轮廓测量的系统标定技术
摘要:针对在光栅投影轮廓测量术中系统标定可操作性不强、精度不高的问题进行了全面的分析,在此基础上提出一种新的系统结构,并推导了物相关系。由于去掉了传统结构的平行和垂直两个约束条件,测量系统中摄像机和投影装置可以采取任意相对位置,操作十分灵活。对新系统提出了方便实用的标定方法,在其中引入了摄像机定标技术。应用该测量系统和标定技术进行实例检测,测量结果证明:与传统方法相比,可操作性和检测精度得到了提高
　　摘要:针对在光栅投影轮廓测量术中系统标定可操作性不强、精度不高的问题进行了全面的分析,在此基础上提出一种新的系统结构,并推导了物相关系。由于去掉了传统结构的平行和垂直两个约束条件,测量系统中摄像机和投影装置可以采取任意相对位置,操作十分灵活。对新系统提出了方便实用的标定方法,在其中引入了摄像机定标技术。应用该测量系统和标定技术进行实例检测,测量结果证明:与传统方法相比,可操作性和检测精度得到了提高。
　　1　引　言
　　光栅投影自动轮廓测量技术是把光栅投影到被测物体表面。光栅投影场由于受物体三维形状的调制而发生变形,通过对变形的光栅场进行处理,解调出代表物体高度的相位信息,再经过相展开和系统标定就可以获得物体的三维几何信息。目前人们对解相和相展开技术的研究相当深入,而对系统标定问题研究不多,这在很大程度上影响了该技术的实用化。本文分析了系统在标定中精度不高、可操作性不强的问题,对传统结构进行了改进,提出了一套方便实用的标定方法。
　　2　光栅投影轮廓测量系统在标定中的主要问题
　　2.1　测量系统的传统结构和物相关系
　　光栅投影轮廓测量系统根据摄像机光轴和投影装置光轴的空间位置不同,可分为相交轴系统和平行轴系统。由于平行光轴系统不容易构成,所以很少被采用。相交轴光学系统的结构原理如图1所示。在图1中,R为参考平面;Ec为摄像机镜头光心;Ep为投影系统镜头光心;H为被测物体上的任一点,它在参考面上的投影为H&,线段HH&的长度为h,即H点的高度;A,B点分别是H点与两光心连线的反向延长线与参考面的交点。
　　入射光线照射到参考平面R上的A点,放上被测物体后照射到被测物体表面的H点,此时从成像面观察,A点就移到新的位置B点,距离AB携带了高度信息h(x,y),即受到了表面形状的调制。
　　因此,将光栅投影到被测物体表面,由于受调制而发生变形,表现为参考面上A、B点的相位差&D&(x,y)。
　　经分析,物体高度轮廓h(x,y)和光栅变形的相位差&D&(x,y)之间存在如下关系:
　　式中,l、d、P是系统的几何参数。其中l为摄像机光心到参考面的距离;d为投影系统光心与摄像机光心的距离;P是栅线节距。
　　2.2　传统的系统标定及存在的问题
　　从上面的系统结构不难看出,整个系统的建立基于以下两个明显的约束条件:
　　(1)投影光源镜头光心和摄像机镜头光心的连线平行于参考面;
　　(2)摄像机镜头光轴垂直于参考面。因此,对测量系统的标定来说,传统方法包括平行度、垂直度、物面与成像面间的比例关系和系统几何参数的标定几个方面。通常的做法是[1,2]:
　　(1)系统垂直度的标定和比例关系的确定:由几何光学原理可知,只有与摄像机成像面平行的物方平面在摄像机的成像平面上所成的像才与原物体成固定的比例关系。摄像机的成像平面与其光轴在几何上是严格垂直的,这就为调节系统垂直度提供了一般方法,即调节成像平面与放物平台(参考面)平行。
　　用一个标准的正方形(或长方形)物体作为标准件对系统垂直度进行标定,将其四个顶点以显著不同的灰度(一般取较深的)标出。通过摄像机可以得到一个近似于正方形的图像,在图像中将四个顶点分别精确定位,从而求出四条边的长度所对应的像素点个数。根据相应像素点个数所表现出来的几何特征对摄像机和放物平面的相对位置进行调节,直到对应边的像素点个数相等即可认为摄像机光轴与放物平面垂直。在认为垂直度基本得到保证以后,可以通过标准件边长与图像中对应边的像素点个数的比值计算出真实物体与图像间的比例关系。一旦确定了这个比例关系,在以后的标定过程中就不再移动摄像机和放物平面,以确保垂直度和比例关系不变。
　　(2)系统平行度的标定:由高度计算公式(1)可知,当满足投影镜头光心和摄像机镜头光心的连线平行于参考面时,如果被测物的高度相同,那么所求得的相位值相等。
　　根据上述原理,在放物平台上放置一固定高度的标准物体,以此标准件为被测物求出相位值分布。从理论上讲,当所求得的相位值完全相等时就可以认为目的达到了。但是由于物体表面本身的不均匀性等各种原因,所求得的相位值不可能完全相等,所以以表面相位值的不均匀度来表征其平行程度。在调节的过程中,当相位值不均匀度取到最小值时就认为两光心连线与参考面平行。
　　(3)检测系统几何参数的标定:系统参数有三个,即l、d、P。由于这三个参数与光心位置有关,而光心位置又是一个假想的空间点,由此无法直接对它们进行测量,因此,用一已知高度的物体进行检测以便列出三个方程,对此方程联立求解就可以得到这些参数。
　　从目前的实际应用状况来看,传统标定的效果并不理想。主要表现在:
　　(1)标定的精度不高,偶然性因素影响大,标定结果不稳定;
　　(2)标定时不好操作,调节过程复杂,尤其是平行度和垂直度的标定,十分繁琐而且困难;
　　(3)参数敏感性很差,对调节过程的反应不明显。
　　分析其原因,因为光轴只是一条假想的直线,确定摄像机光轴和投影装置光轴的空间位置很困难,所以平行度和垂直度的标定不容易实现。由于平行度和垂直度的标定是最基本的两项,其它必须以它们为前提,所以,平行度和垂直度标定所能达到的精度和自动化程度决定着整个系统标定的精度和可操作性。由于无法直接判断,所以目前均采用反复测定标准参考物,通过改变摄像机和投影装置的相对位置来寻找误差最小值的间接方法,这使得标定调节是一个不断尝试的过程,操作十分繁琐,而且标定结果只能是相对最好,不可避免地存在误差。由于传统标定方法没有考虑摄像机的镜头畸变等非线性因素,所以物面与成像面的对应精度低。另外,系统中获得x,y坐标的方法是直接用像点的图像坐标乘以物面与像面的放大倍数。由于该放大倍数只对参考面上的点才是有效的,所以若对图1中的H点如此处理得到的是参考面上B点的x,y坐标,而不是H点的x,y坐标,即产生了称之为表像坐标的现象,它在系统中是无法消除的。
　　综上所述,由于现有系统的约束条件过强,所以导致系统标定的可操作性差、标定精度低。因此,迫切需要一套新的标定方法。它不仅可以提高精度,而且能够简化系统标定过程,使得操作方便、标定结果稳定可靠。
　　3　新系统结构的提出及标定方法
　　3.1　新系统的结构和物相关系
　　通过分析,对传统结构作些改进,去掉在原系统中平行度和垂直度的约束要求是可能的。原系统要求摄像机光轴与参考面垂直是为了保证物面与成像面之间物点与像点的对应关系。如果能够找到一个比较容易操作的方法来获得这种对应关系,就可以代替垂直度的标定。新系统引入摄像机定标这种比较成熟的技术来取代原系统中对摄像机光轴与参考面垂直的要求。通过该方法可以由物点的空间坐标唯一地确定它的像点的图像坐标,而由像点的图像坐标可以确定一条经过该物点的空间射线,再补充物点三维坐标中的一个就可以唯一地确定该点的空间坐标。原系统要求投影机光心和摄像机光心的连线与参考面平行是推导物相关系的基本条件。如果去掉平行度的约束,虽然物相关系会复杂许多,但是由此简化了系统标定的难度,将大大提高检测系统的精度和实际应用水平。
　　新系统结构如图2所示。在图2中, R为参考平面;C为摄像机镜头光心;P为投影机镜头光心;H为被测物体上的任一点,其在参考面上的投影为H&,线段HH&的长度为h,即H点的高度;A,B点分别是H点与两光心连线的反向延长线与参考面的交点;投影机光轴与摄像机光轴相交于参考面上的O点。l为摄像机光心到参考面的距离;d为投影机光心与摄像机光心连线的长度;&为投影机光心和摄像机光心连线与参考面的夹角。
　　下面推导在新系统结构下的物相关系。记参考面上A、B点的相位差为&D&(x,y),栅线节距为P。两光轴交点O为坐标原点,C、H点的x坐标为xc、xH。则有
　　由式(11),在已知C、H点的坐标xC、xH的情况下,就得到了物体高度h与其相位&D&(x,y)之间的关系,即物相关系。系统参数l,d,&,P等值通过标定的方法获得。C点的坐标xC为摄像机镜头光心坐标,可以利用摄像机定标方法得到。H点的坐标xH虽不能直接获得,但如上文所述,只需将关系式(11)和摄像机定标后由像点图像坐标所确定的一条经过该物点的空间射线关系式联立,就可以唯一地确定该点的空间坐标,即求得物体三维坐标。
　　3.2　新系统的标定
　　由于新系统结构没有平行度和垂直度的限制,所以新系统没有苛刻的约束条件标定,新系统的标定包括摄像机定标和系统参数标定二个部分。系统参数l,d,&,P的标定同传统方法。
　　摄像机定标是新系统标定的基础,也是最重要的部分。通过摄像机定标,可以得到摄像机镜头光心的空间坐标值,得到物体和图像之间的投影矩阵即物点和像点的对应关系。利用它们,可以求得被测物体的三维坐标。摄像机定标技术随着计算机视觉的兴起得到了很大发展,目前技术比较成熟[3,4]。本文采用文献[4]的摄像机双平面标定方法,它具有操作简单、方便、精度高的优点。具体原理和方法如下:标定平面[系统中采用一个专门制作的标定斜面,其上均匀分布了256个标定点,这些点的空间坐标(x,y,z)事先用三坐标仪精确测出]在一初始位置得到平面p1,将其平移一已知高度z后的位置定为平面p2。摄像机分别拍摄记录两个位置平面的图像,经图像处理得到各自平面中标定点的图像坐标(u,v)。利用标定点的空间坐标(x,y,z)和图像坐标(u,v)的关系分别计算得到两个平面的正投影和反投影矩阵。反投影关系为
　　式(13)的反投影矩阵A和式(15)的正投影矩阵-A分别有30个参数,由此需要15个标定点的数据按照式(12)和式(14)的关系联立方程求解。在实际标定中,一般取数十个点,使方程个数大大超过参数个数,求最小二乘解。这样,就分别得到了两平面的投影矩阵。已知平面p1上的一个标定点P1,利用平面p2的反投影矩阵计算它在平面p2上的空间点P2,连接P1P2得到一空间直线,同样方法再得到另一条直线,它们相交于摄像机镜头的光心,由此可以得到光心的空间坐标值。在计算测量物点的空间坐标时,利用对应像点的图像坐标分别计算其在两个平面上的投影交点,得到一条经过该物点的空间射线和由式(11)确定的高度关系联立,可以唯一地确定该点的空间坐标,这样就得到了被测物体的三维信息。摄像机定标纠正了光学镜头的畸变,使物面与成像面之间对应关系的精度得到提高。同时,由于直接求解物点的空间坐标不存在表像坐标的错误,因此表像坐标这一系统误差在新系统中得以消除。通过对系统标定的实验验证,利用标准件的测量结果比较得到:最大误差为0&1mm,最小误差为0&001mm,平均误差为0&04mm。所以系统标定精度较高,完全能够满足系统的要求。
　　4　实验测量
　　根据上述的系统结构所组成的测量系统进行实验测量。由于在新系统中去掉了传统结构的平行度和垂直度的约束条件,并引入摄像机定标技术,使得系统标定过程大大简化,操作方便。以往的系统标定需要反复的调整,整个过程需要一天甚至更长的时间,现在完成系统标定只需要5min,大大提高了效率。为了验证新系统检测精度的改善情况,分别采用传统系统和新系统对一碗状面形零件进行检测,比较它们的测量结果。实验中还采用三坐标测量仪对零件进行测量,将其结果作为标准值。图3是零件的调制栅线图像。图4是测量得到的三维网格图。图5是零件中心对称截面的检测结果对比,其中图5(a)为传统系统的测量结果,同三坐标测量仪得到的标准值相比存在一定误差,计算它的高度均方根误差为0&208图5(b)为本文所述新系统的测量结果,与标准值吻合较好,高度均方根误差为0&065mm。由此可见,采用新的系统结构和标定方法,能够提高系统的检测精度。
　　5　结　论
　　传统光栅投影轮廓测量系统的标定过程十分繁琐,标定精度低且不稳定,从而直接影响了整个系统的检测精度和系统的实用性。本文通过对系统结构的改进,不仅去掉了过强的约束条件,并引入摄像机定标技术,使得系统标定过程大大简化,而且提高了系统检测的精度。应用本文所提出的系统结构和系统标定方法进行了实例测量,结果证明:系统标定操作方便,结果稳定可靠,提高了系统的实用性。
　　参考文献:
　　[1]高振艳.曲面形体投影栅相位检测的二维抗噪解相和自动处理系统的研究[D].北京:清华大学机械工程系,1996.
　　[2]由志福.曲面形体三维相位法检测技术及与CAD/CAM集成的研究[D].北京:清华大学机械工程系,1998&
　　[3]马颂德,张正友.计算相位法机视觉-计算理论与算法基础[M].北京:科学出版社,1998.
　　[4] G Q Wei,S D Ma. Implicit and Explicit Camera Calibration:Theorytelligence,):469-
　　作者简介:许庆红(1970-),男,浙江省人,清华大学机械工程系讲师,博士研究生,主要从事三维无接触检测、云纹应变测量的研究。
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前言第一章绪论1.1引言1.2三维测量技术发展现状1.2.1接触式三维测量1.2.2非接触式三维测量1.3光栅投影法关键问题分析1.3.1系统光学结构1.3.2条纹图像处理1.3.3发展趋势1.4本书内容概述第二章视觉测量中的图像处理2.1圆标识点的识别2.1.1圆标识点识别方法分析2.1.2实用的圆标识点识别方法2.1.3检测可能的标识点2.1.4验证疑似点2.1.5圆标识点识别实验2.2圆标定点的定位2.2.1一种求圆标识中心亚像素级边缘定位算法2.2.2椭圆目标的亚像素级边缘定位方法研究2.2.3圆形目标精密定位方法的研究与应用2.3本章小结第三章摄像机标定3.1标定简介3.1.1参考坐标系简介3.1.2摄像机的针孔模型3.1.3摄像机的畸变模型3.1.4射影几何的基本知识3.1.5摄像机标定综述3.2圆心数据的坐标匹配3.3基于固定参数和可变参数的摄像机标定3.3.1固定参数的标定3.3.2可变参数的初标定3.3.3可变参数的非线性优化3.3.4标定算法总步骤3.3.5实验3.4基于两个相同圆的摄像机标定方法3.4.1内参的确定3.4.2外参的确定3.4.3实验3.5本章小结第四章光栅投影法——视觉测量系统模型4.1主动式视觉测量4.2经典光栅投影系统模型4.2.1相位的获得4.2.2物点高度的获得4.3新的系统模型4.3.1θ（Xc，Yc，Zc）关系式4.3.2（m，n）-（Xc，Yc，Zc）关系式4.4系统标定4.4.1标定原理4.4.2标定步骤4.5实验4.5.1系统构建及标定4.5.2实例测量4.6本章小结第五章视觉测量系统的自校正5.1DLP数字投影仪5.2正弦光栅的投影研究5.2.1投影系统光路5.2.2空间投影光栅的非正弦性5.3相位自校正5.3.1θp-θs映射关系的建立5.3.2Is的校正5.4实验5.4.1实验一：光栅自校正5.4.2实验二：解相位结果5.5本章小结第六章视觉测量中的条纹图像处理——解相位6.1解相位的基本原理6.1.1四步相移法6.1.2解相位6.2中心摄动法6.2.1中心条纹摄动6.2.2摄动条纹解相6.2.3其他条纹解相6.2.4误判处理与仿真6.2.5实验6.2.6小结6.3基于标志线的解相位方法6.3.1标志线的设置和获取6.3.2利用标志线进行相位展开6.3.3实验及分析6.3.4小结6.4基于错位条纹的三维测量方法6.4.1错位条纹法原理6.4.2错位条纹法解相位6.4.3实验6.4.4小结6.5本章小结第七章多视角的三维测量——拼接方法研究7.1空间动态分层的拼接算法7.1.1三维拼接数学模型的建立7.1.2特征标识点的处理7.1.3空间数据动态分层7.1.4求解转换矩阵7.2三维点云拼接算法的比较和分析7.2.1拼接算法及改进7.2.2拼接算法的误差分析7.3实验7.4本章小结第八章三维点云处理8.1三维点云的孔洞填充8.1.1B样条曲面定义8.1.2散乱点参数化8.1.3迭代逼近拟合曲面8.1.4实验8.2三维点云的自适应精简8.2.1三维点云的栅格化8.2.2曲率的计算和点的提取8.2.3实验8.3本章小结参考文献
版权页：插图：当前的线性方法的研究热点是选用考虑非线性畸变的摄像机模型，然后将非线性方程转化为线性方程求解。这种算法不需迭代，它将非线性方程的变量组合成一组新的变量，称之为中间参数，将原非线性方程转化为中间参数的线性方程，利用最小二乘法求解出中间参数后，再求得原变量的值。线性标定方法的优点是：不需要非线性优化计算，从而运算速度快，能够实现摄像机参数的实时计算。其缺点是：标定过程中不考虑镜头畸变，使得摄像机的系统误差不能加进去，从而使标定精度受到一定影响。尤其做三维测量，忽略镜头畸变是不可取的。另外由于中间参数间互相存在约束，它的维数大于原参数的维数，加上存在噪声及镜头像差的影响，使得标定精度不高。该方法能得到隐式解却未必能得到理想的显式解。2.非线性优化方法线性标定方法的模型是针孔模型，忽略了镜头畸变，只能用于视野较狭窄的摄像机标定，当镜头畸变较明显时，如使用广角镜头时，远离图像中心处会有很大的畸变，这时针孔透视模型就不能准确地描述透视成像过程，因此必须考虑非线性畸变，这就引入了摄像机的非线性模型。利用非线性优化方法求解摄像机非线性模型的各参数是摄影测量学中的传统方法。这类标定方法的优点是可以假设摄像机的光学成像模型非常复杂，充分考虑成像过程中的各种因素，能够得到比较高的标定精度。
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