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近年来,结构光三维成像技术被深入研究和广泛应用,通常采用的技术方案是投影一个载频条纹到被测物体表面,利用成像设备从另一个角度记录受被测物体高度调制的变形条纹图像,再从获取的变形条纹图中数字解调重建出被测物体的三维数字像。与全息三维成像对应,结构光三维成像过程也是两步成像过程,先获取物体被结构光条纹调制的二维图像,再从包含变形条纹的二维像中通过数字重建方法得到物体的三维数字像。主要回顾了本课题组在基于结构光三维成像技术研究中的进展,讨论了基于傅里叶条纹分析、相移条纹分析和动态过程三维成像的方法,给出了相关应用的实验结果,分析了结构光三维成像的特点以及该领域今后的发展动向。
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书书书
第
41
卷
第
2
期
中
国
激
光
Vol.41
,
No.2
2014
年
2
月
犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛
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2014
结构光三维成像技术
苏显渝
张启灿
陈文静
(四川大学电子信息学院光电科学技术系,四川 成都
610064
)
摘要
近年来,结构光三维成像技术被深入研究和广泛应 用,通 常 采 用 的 技 术 方 案 是 投 影 一 个 载 频 条 纹 到 被 测 物
体表面,利用成像设备从另一个角度记录受被测物体 高 度 调 制 的 变 形 条 纹 图 像,再从 获 取 的 变 形 条 纹 图 中 数 字 解
调重建出被测物体的三维数字像。与全息三维成像对应,结 构 光 三 维 成 像 过 程 也 是 两 步 成 像 过 程,先 获 取 物 体 被
结构光条纹调制的二维图像,再从包含变形条纹的二维像中通过数字重建方法 得 到 物 体 的 三 维 数 字 像。主要回顾
了本课题组在基于结构光三维成像技术研究中的进 展,讨 论 了 基 于 傅 里 叶 条 纹 分 析、相 移 条 纹 分 析 和 动 态 过 程 三
维成像的方法,给出了相关应用的实验结果,分析了结构光三维成像的特点以及该领域今后的发展动向。
关键词
成像系统;三维成像;结构光;三维面形测量;条纹分析;全息显示
中图分类号
TN247
;
O438.2
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
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100.6890
;
150.2945
;
150.6910
;
100.2650
;
090.2870
收稿日期:
20131122
;收到修改稿日期:
20140106
基 金 项 目: 国 家 自 然 科 学 基 金 (
69577014
,
69827001
,
60527001
,
61177010
,
60807006
)、国 家 重 大 仪 器 专 项
(
2013YQ490879
)、教育部“新世纪优秀人才支持计划”(
NCET110357
)
作者简介:苏显渝(
1944
—),男,教授,博士生导师,主要从事信息光学、三维传感与机器视觉等方面的研究。
Email
:
x
y
su
@
scu.edu.cn
1
引
言
结构光三维 (
3D
)成 像 技 术 能 够 保 存 物 体 三 维
空间信息(包括三维 形 貌、灰度、颜 色信 息),并 在 重
建过程中可以完整地 恢复 物 体的 三 维特 征,具有 重
要的科学价值
。全息三维成像是一种记录和重现三
维信息的重要科学方 法,它可 以 完整 地 再现 物 光波
的信息,从三维再现 的 真实 性 来看,是 无与 伦 比的。
从三维显示的角度来 看,全息 三 维显 示 的分 辨 率和
02090011
中
国
激
光
真三维显示特点也是无与伦比的。但是全息记录和
再现过程要求采用相 干照 明,对环 境 振动 要 求小 于
波长数量级,使这种方法并不适于室外作业。另外,
从信息的数字记录和 实 物仿 形 意义 上 的重 建 来说,
全息方法也不一定是最好的。传统的全息成像技术
本质上是一种模拟、非实时性、繁琐的纯光学技术。
自
1948
年
Gabor
发 明 全 息 术 以 来,全 息 术 经
历了不断发展的阶段
,例如:离轴全息、反射全息、彩
虹全息、计 算 全 息、模 压 全 息 等
[
1-2
]
。 近 年 来,兴 起
的数字信号处理技术及其相关器件设备(计算机、数
码摄像机、
CCD
器件、新型液晶显 示屏、空间 光调制
器和因特网等)以及自 动 化控 制 技术 不 断冲 击 传统
全息成像 技 术,使 之 向 现 代 全 息 显 示 技 术 发 展
[
3
]
。
2009
年,在深圳召开的第八届国 际显示 全息学 术会
议上,深圳市泛彩溢有 限公 司 展示 了 一种 无 记录 介
质真彩色全息三维显 示系 统,该系 统 采用 一 种特 制
的功能屏和多投影仪,将多 个 不同 角 度的 影 像合 成
逼真的彩色全息 三 维影 像
[
4
]
。最 近,一 个 由
300
个
百万像素的投影仪组成的裸眼三维显示系统已经报
道,可以在
100inch
(
1inch= 2.54cm
)显示屏上观
察到动态的三 维像
[
5
]
。实际 上,很多 现 代全 息 显 示
技术,已经在很大程度 上突 破 了最 初 光学 全 息的 概
念,即不再限于将全息 技术 看 成利 用 光学 干 涉和 衍
射原理记录并再现物 体真 实 三维 图 像的 技 术,而是
一种广义的物体三维信息传递和显示的技术。数字
信息处理技术及其有关器件设备的进展为三维成像
和三维显示技术的发展提供了更大的发展空间。
结构光三维成像技术是一种利用辅助的结构光
照明获取物体三维像 的技 术,它采 用 的技 术 方案 是
投影一个载频条纹到 被成 像 的物 体 表面,利 用成 像
设备从另一个角度记录受被成像物体高度调制的变
形条纹图像,再从获取 的变 形 条纹 图 中数 字 解调 重
建出被测物体的三维数字像。与全息三维成像相对
应,结构光三维成像过程也是两步成像过程,先获取
物体被结构光条纹 调制 的二 维 图像 (调 制加 光 学成
像),然后从包含变形条纹的二维像中通过数字重建
方法得到物体的三维数字像,前者包括投影和成像,
本质上是 应用光 学中的 成像过 程
[
6
]
,后者是 条纹图
像的信息处理过程,类 似 于干 涉 测量 中 的干 涉 条纹
的处理。结构光三维成像的过程包含数字重建的步
骤,并以物体三维空间信息的数字量作为输出,其早
期的目的不是三维显示,而是三维测量,因此早期的
结构光三维传感工作更多地涉及三维测量和信息处
理
[
7
]
。基于结 构 光 的 三 维 面 形 测 量 技 术 具 有 非 接
触
、测量速度快、精度高和易于在计算机控制下实行
自动化测量等优点,已 被 深入 研 究并 被 广泛 用 于机
器视觉、自动化控制 加工、工 业自 动 检测、产 品质 量
控制、实物仿形、生物 医学、三 维动 画 和影 视 特技 制
作等领域
[
8-11
]
。 最 早 的 结 构 光 三 维 测 量 方 法 是 叠
栅轮廓 术
(
MT
)
[
12
]
,随 后 傅 里 叶 变 换 (
FT
)轮 廓 术
(
FTP
)
[
13-14
]
、相位测 量 轮 廓 术 (
PMP
)
[
15
]
、调 制 度
测量轮廓术
(
MMP
)
[
16
]
、散 斑投 影 轮 廓 术
[
17
]
等 结 构
光三维面形测量方法逐步被提出。
由于傅里叶变换轮廊术只需要一帧图像就能全
场重建被测物体三维 面形,成 为近 年 来常 用 的一 种
动态过 程 三 维 测 量 技 术
[
18
]
,对 应 的 三 维 傅 里 叶 条
纹分析方法 也 相 继 提 出
[
19-20
]
。 虽 然 相 位 测 量 轮 廓
术技术需要获取多帧 相移 条 纹图 像
,最 初仅 适 用于
静态测量,但随着高速 投影 和 摄像 技 术的 发 展以 及
算法的改进,相位测量 轮廓 术 技术 在 动态 三 维测 量
也得到应用和推广
[
21-22
]
。
本课题组二十余年来一直致力于结构光三维面
形测量的研究,包括 点、线、面结 构 光三 维 面形 测 量
方法
[
23-25
]
,最初的研究工作更多地涉及三维测量方
法及其应用
,随后从 广义 信 息传 递 和变 换 的观 点 研
究及全息三维成像和结构光三维成像的共性和差异
性,提 出 基 于 等 效 光 波 概 念 的 三 维 (数 字 )照 象
术
[
26
]
。本文回顾 了 课 题 组 在 基 于 结 构 光 三 维 成 像
技术研究中的进展,讨论了基于傅里叶条纹分析、相
移条纹分析和动态过 程三 维 成像 的 方法,给 出了 相
关应用的实验结果,还 分 析了 结 构光 三 维成 像 的特
点,并讨论了该领域今后的发展动向。
2
结构光三维成像
结构 光 三 维 成 像 的 基 本 原 理 可 用 图
1
表 示
[图
1
(
b
)表示获取 的 变 形 条 纹],为 了 表 达 简 洁,假
定投影和成像光路都 是远 心 光路,当 一个 正 弦光 栅
图形被投影到三维漫 反射 物 体表 面 时,从成 像 系统
获取的变形光栅像可表示为
犐
(
狓
,
狔
)
=
犚
(
狓
,
狔
){
犆
[
0.5
+
0.5cos
(
狓
,
狔
)]},
(
1
)
式中
犚
(
狓
,
狔
)是物 体表 面 不均 匀 的反 射 率,即 光 学
影像,包括物体表面的灰度和色度信息,
犆
表示均匀
的投影光强,相位函数
(
狓
,
狔
)表示了 条 纹的 相 位。
当漫反射物体是一个 标准 平 面(参 考 平面)时,条纹
的相位具有线性分布的特点:
(
狓
,
狔
)
=
2
π
狓
/
狆
0
, (
2
)
式中
狆
0
为在参考平面上条纹的周期。当漫反射物体
02090012
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weixin_38623819
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