使用結(jié)構(gòu)光的3D掃描

　　隨著很多全新技術(shù)的涌現(xiàn)，人們?cè)絹?lái)越需要用3D方法來(lái)表示現(xiàn)實(shí)世界中的物體。特別是機(jī)器視覺和機(jī)器人技術(shù)，它們都得益于精確和自適應(yīng)的3D捕捉功能。其它針對(duì)3D掃描的應(yīng)用包括生物識(shí)別、安防、工業(yè)檢查、質(zhì)量控制、醫(yī)療、牙科和原型設(shè)計(jì)。

　　3D掃描是提取一個(gè)物體的表面和物理測(cè)量，并用數(shù)字的方式將其表示出來(lái)。這些數(shù)據(jù)被采集為一個(gè)由X，Y和Z坐標(biāo)(表示物體外部表面)組成的點(diǎn)云。對(duì)于一個(gè)3D掃描的分析可以確定被掃描物體的表面積、體積、表面形狀、外形和特征尺寸。

　　一個(gè)3D掃描儀需要一個(gè)探針來(lái)確定到物體表面上每一個(gè)點(diǎn)的距離。理論上，這個(gè)探針可以是一個(gè)觸覺(物理接觸)探針。然而，很多應(yīng)用需要非接觸式測(cè)量。只使用光照來(lái)探測(cè)感興趣物體的光學(xué)技術(shù)提出了針對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決方案。其中一個(gè)方法至少采用2個(gè)攝像頭來(lái)提供立體感視覺技術(shù)，它對(duì)于計(jì)算的要求通常比較嚴(yán)格，并且對(duì)于環(huán)境光照條件很敏感。另外一個(gè)方法采用結(jié)構(gòu)照明圖形，它只需一個(gè)投影儀(用于生成光圖形)以及一個(gè)單攝像頭和計(jì)算能力中等的算法。

　　結(jié)構(gòu)光

　　結(jié)構(gòu)光是3D掃描的一個(gè)光學(xué)方法，它投射出一組用數(shù)學(xué)方法構(gòu)造的光圖形，按照一定順序照亮被測(cè)量的物體。一個(gè)到投影儀的距離已知的攝像頭同步捕捉一組被照亮物體的圖像。相對(duì)于用于校準(zhǔn)的平面基準(zhǔn)表面，攝像頭看到的圖形被經(jīng)掃描物體的表面形狀所扭曲。幾何三角剖分的原理使得計(jì)算被掃描物體表面上每個(gè)點(diǎn)的XYZ坐標(biāo)成為可能(見圖01)。然后，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于被掃描物體表面詳細(xì)3D模型的計(jì)算構(gòu)造。

　　圖01：使用DLP® 技術(shù)的結(jié)構(gòu)光

　　可編程圖形結(jié)構(gòu)光

　　可編程圖形掃描儀使用具有數(shù)字空間光調(diào)制器(SLM)的激光或LED光源將一系列圖形投射到物體表面上。通過(guò)使用多個(gè)圖形，一個(gè)可編程結(jié)構(gòu)光掃描儀能夠獲得更高的準(zhǔn)確性，并且能夠根據(jù)環(huán)境光照條件、物體表面，以及物體光反射特性來(lái)改變圖形。

　　由于可編程圖形結(jié)構(gòu)光需要顯示多個(gè)圖形，空間光調(diào)制器就成為此類掃描儀的一個(gè)關(guān)鍵組件。目前市面上有多項(xiàng)空間光調(diào)制技術(shù)，其中包括德州儀器(TI)DLP®技術(shù)，特別是DLP6500和DLP9000芯片組。

　　不同的結(jié)構(gòu)光掃描算法要求SLM能夠產(chǎn)生二級(jí)制或灰度圖形中的一種，或者能夠產(chǎn)生這兩種圖形。高對(duì)比度圖形有助于在處理不斷變化的物體反射率和環(huán)境光條件時(shí)盡可能提高準(zhǔn)確度和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠耐用性。由于尺寸、冷卻和電池要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將光通量和能效視為重中之重。

　　目前有很多對(duì)3D結(jié)構(gòu)光圖形進(jìn)行優(yōu)化的技術(shù)。其中一個(gè)特別有效的方法就是自適應(yīng)圖形集。算法確定了圖形與波長(zhǎng)的最佳組合，以提高被掃描物體的分辨率。根據(jù)物體的顏色，可以選擇多變的顏色(光的波長(zhǎng))。自適應(yīng)圖形提高了對(duì)表面質(zhì)地復(fù)雜或者不連續(xù)的物體的掃描能力。

　　設(shè)計(jì)考慮

　　在設(shè)計(jì)可編程結(jié)構(gòu)光解決方案時(shí)，有幾個(gè)重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。被測(cè)量物體的尺寸和距離以及3D測(cè)量所要求的空間精度決定了所需的空間光調(diào)制器和圖形捕捉攝像頭的性能特性。SLM分辨率(像素?cái)?shù)量)和掃描場(chǎng)尺寸(像素/mm)決定了可實(shí)現(xiàn)的精度。攝像頭的分辨率必須足夠大，根據(jù)采樣定理，通常情況下，應(yīng)該至少為SLM像素密度的四倍。

　　掃描期間，任何的物體運(yùn)動(dòng)會(huì)使數(shù)據(jù)模糊不清，從而降低測(cè)量精度。為了實(shí)現(xiàn)所需的3D精度等級(jí)，物體運(yùn)動(dòng)的越快，就必須越快速地執(zhí)行一個(gè)完整掃描。越快的掃描需要更快速的空間光調(diào)制器和幀捕捉速率更高的攝像頭，而亮度更高的圖形照明也會(huì)對(duì)快速掃描有所幫助。在不同的3D測(cè)量系統(tǒng)中，也許需要從每秒數(shù)次到最高每秒數(shù)百次的圖形速率。

　　結(jié)論

　　機(jī)器和機(jī)器人視覺與其它3D應(yīng)用正在使智能機(jī)器的能力越來(lái)越強(qiáng)。3D掃描隨著全新技術(shù)和算法的發(fā)展不斷進(jìn)步。隨著處理和傳感器功能的不斷增強(qiáng)，而它們的成本逐漸走低，這些全新技術(shù)使終端用戶有了更大的選擇空間。采用結(jié)構(gòu)光的主動(dòng)、非接觸式3D掃描系統(tǒng)為用戶提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)必須根據(jù)特定的應(yīng)用需求對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。

　　參考文獻(xiàn)

　　Geng, Jason：結(jié)構(gòu)光3D表面成像：教程

　　Koninckx, Thomas P.和Gool, Luc Van：由自適應(yīng)結(jié)構(gòu)光實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)范圍采集