结构光D视觉原理PPT课件
结构光路线及原理
结构光路线及原理一、引言随着科技的不断发展，三维（3D）成像技术在许多领域中的应用越来越广泛，如机器视觉、自动驾驶、医疗诊断等。
其中，结构光技术作为一种非接触式的三维成像技术，因其具有较高的精度和稳定性，受到了广泛关注。
本文将详细介绍结构光技术的路线及原理，帮助读者更好地理解这一技术。
二、结构光技术路线结构光技术主要包括以下几个步骤：光源发射、编码图案投射、图像采集、解码重建。
1. 光源发射：结构光系统中的光源通常为激光器或白光LED，用于发射具有一定波长的光。
光源的选择需要考虑其波长、功率、稳定性等因素。
2. 编码图案投射：光源发射的光经过特定的光学元件，如投影仪、液晶显示屏等，投射到被测物体上。
投射的图案通常是由一系列黑白相间的条纹或散斑点组成，这些图案被称为格雷码或相位编码图案。
3. 图像采集：当结构光照射到被测物体表面时，物体表面的几何形状和深度信息会改变反射光的强度和相位。
通过高精度的相机或其他图像采集设备，可以捕捉到反射光形成的图像。
4. 解码重建：通过对采集到的图像进行处理和解码，可以提取出被测物体的三维信息。
解码方法通常包括相位计算、匹配算法等。
三、结构光原理结构光技术的基本原理是利用光线的反射和折射特性，通过测量光线在物体表面的反射和折射情况，来获取物体的三维信息。
具体来说，结构光技术主要包括以下几个方面的原理：1. 反射原理：当光线照射到物体表面时，会发生反射。
反射光线的强度和相位受到物体表面的形状和深度的影响。
通过测量反射光线的强度和相位，可以获取物体的表面形状信息。
2. 折射原理：当光线从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射。
折射光线的方向和角度受到物体表面的形状和深度的影响。
通过测量折射光线的方向和角度，可以获取物体的深度信息。
3. 相位计算原理：结构光系统中的格雷码或相位编码图案具有特定的相位分布。
当光线照射到物体表面时，反射光线的相位会受到物体形状和深度的影响。
通过对比反射光线和投射光线的相位差异，可以计算出物体的形状和深度信息。
机器视觉原理及应用教程 第4章 面结构光三维视觉
f
x,
y
1
4 2
SF (u, v, , ) g
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v ei2xyd ddud
gu,v,, x, y g(x u, y )exp( j x j y)
g
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exp[x2
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2 x
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2
2 y
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4.1.2窗傅里叶脊法
x y
wx u,v, wy u,v
=arg
机器视觉 原理及应用
严谨严格，求实求是
《机器视觉原理及应用》
第4章 面结构光三维视觉
4.1 单幅相位提取方法 4.2 多幅相位提取方法 4.3 相位展开方法 4.4 案例-基于条纹投影结构光三维扫描 仪的牙模扫描 4.5 案例-鞋底打磨
4.1 单幅相位提取方法
单幅相位提取是图像处理中常用的技术之一，用于从图像中提取出相位信息。 以下是一些常见的单幅相位提取方法：
➢ 傅里叶变换法 ➢ 窗傅立叶脊法 ➢ 二维连续小波变换法 ➢ BEMD 法 ➢ VMD 法 ➢ 变分图像分解法
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4.1 单幅相位提取方法
单幅相位提取是图像处理中常用的技术之一，用于从图像中提取出相位信息。 以下是一些常见的单幅相位提取方法：
➢ 傅里叶变换法 ➢ 窗傅立叶脊法 ➢ 二维连续小波变换法 ➢ BEMD 法 ➢ VMD 法 ➢ 变分图像分解法
M
(x,
y)
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sin(
)))
exp
1 2
x2 y2
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4.1.3 二维连续小波变换法
结构光3D扫描原理课件PPT-经典必看
3D Model Acquisition Pipeline
3D Scanner
View Planning
Alignment
Done?
Merging
Display
Real-Time 3D Model Acquisition
Next Class
• Polyhedral Objects and Line Drawing • Reading Notes
Laser
Camera
• Depth from ray-plane triangulation:
– Intersect camera ray with light plane
x x' z / f y y'z / f
z Df Ax'By'Cf
Example: Laser scanner
Structured Light Triangulation
I
J
Correspondence becomes easier!
Structured Light
• Any spatio-temporal pattern of light projected on a surface (or volume). • Cleverly illuminate the scene to extract scene properties (eg., 3D). • Avoids problems of 3D estimation in scenes with complex texture/BRDFs. • Very popular in vision and successful in industrial applications (parts
基于结构光和双目视觉的三维重构(150510)PPT课件
双目测距原理
各坐标系关系示意图
三角法测量模型
xl
f
xc zc
xr
f
(xc B ) zc
yl
yr
f
yc zc
xc
B xl d
yc
B h d
zc
B f d
相机标定
定义 分类
相机标定：主要是获得相机几何 参数和光学参数（内部参数）以及相 机相对于世界坐标系的空间位置、方 向关系（外部参数）的过程。相机标 定结果的精度直接影响着计算机视觉 的精度
1) 除了端点，任意三角形的任意一条边不包含点云中的任何点。 2) 任意两条边若相交，只在公共端点相交。 3) 网格内的任意一个面都是三角面，且所有三角面的合集是点云集合的凸包。
贪婪三角剖分
它从一个随机的点开始，将越来越多的邻点包含进三角化网格，使网格逐渐增长。 在建网的过程中，每个点有可能被赋予这四种状态：FREE，FRINGE，BOUNDARY， COMPLETED。
视差一致性约束：在左右视差图中，若左图像的某一点的视差和以此视差对应 的右图像目标像素的视差相同,则满足视差一致性约束。
挑战性问题： 遮挡、弱纹理、深度不连续、光照影响、光学透射
立体匹配
立体匹配
点云重构
定义 方法
把点云重构成三维立体图形
三角剖分
贪婪三角剖分 Delaunay剖分
三角剖分
当得到被扫描物体的点云后，将进行三角剖分。三角剖分将点云组建成 一个由许多三角形组成的网格。通过三角剖分建立起来的网格应该满足以下 三个条件：
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End 演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
结构光技术(总3页)
结构光技术(总3页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除结构光技术1.2.1干涉测量法干涉测量法(Interferometry)是常用的高精度、高分辨率测量方法之一，它是利用光的干涉原理对物体进行测量的。
当物体波前与参考波前满足干涉条件时，物体波前与参考波前发生干涉产生干涉条纹，从干涉条纹形变情况可以测出被测物体的几何形状(5]0传统的干涉测量法多采用条纹细化技术得到千涉条纹中心，然后检测条纹中心相对参考基准的偏移量来计算物体的几何形状。
由于计算条纹中心位置的误差较大，所以采用此方法的测量误差较大。
随着激光技术的发展，出现了双光束干涉、多光束干涉、外差干涉、全息千涉等方法。
全息干涉测量对测量环境的要求较高，系统侧量稳定性易受到光学散斑、震动、湿度、气压以及温度等因素影响，若采用共光路设计和同时相移技术，可以有效地抑制震动对测量结果的影响。
2. 4结构光法结构光方法((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}。
面结构光三维测量的原理
面结构光三维测量的原理面结构光三维测量是一种常用的非接触式三维测量方法，可以通过投射结构光对被测物体进行三维重建。
其原理基于三角测量原理和结构光原理。
首先，我们来看三角测量原理。
三角测量是利用三角形的几何关系来测量物体的位置、距离和形状的方法。
在面结构光三维测量中，主要使用的是空间三角测量，即通过计算被测物体表面上的某一点在相机和投影仪之间形成的三角形，从而求解出该点在空间中的坐标。
其次，结构光原理也是面结构光三维测量的基础。
结构光是指将光源发出的光束经过特殊处理（例如透镜、投影仪等），在被测物体表面上形成一定的光模式。
这个光模式可以是条纹、点阵等。
当这些光模式照射到被测物体表面上时，会发生光的反射、散射和折射等现象，形成一系列特定的影像。
通过对这些影像进行分析处理，就可以得到被测物体表面上各点的三维坐标信息。
基于以上两个原理，面结构光三维测量通常可以分为三个步骤：投影、成像和三维重建。
在投影阶段，投影仪将事先计算好的结构光模式投射在被测物体表面上。
这些结构光模式可以是一组条纹、点阵或者其他形式的光模式。
在投影过程中，需要注意光源、投影仪和被测物体之间的相对位置关系，以及选用适当的光源和投影仪。
在成像阶段，使用相机对投影在被测物体表面上的结构光进行拍摄。
相机接收到被测物体上反射、散射或折射的结构光，将其转换为数字图像。
在三维重建阶段，通过对拍摄到的图像进行处理，可以恢复出被测物体表面上各点的三维坐标信息。
常用的处理方法包括相位偏移法和立体匹配法。
相位偏移法是利用结构光模式的相位信息来计算物体表面上各点的三维坐标。
结构光模式的相位信息可以通过对连续几幅图像进行相位移动来获取。
通过分析这些图像的亮度变化和相位变化，可以计算出物体表面上各点的三维坐标。
立体匹配法是将投影仪和相机之间的相对位置关系转换为立体视觉问题，通过分析图像中的纹理、颜色、边缘等特征，寻找相应的匹配点对，从而恢复出物体表面上各点的三维坐标。
小学科学光线与视觉课件ppt
光线在同种均匀介质中沿直线传 播，当遇到不同介质或物体时， 会发生反射、折射等现象。
光源种类与特点
01
02
03Βιβλιοθήκη 自然光源如太阳、星星等，能够自 然发光，提供稳定的光照 。
人造光源
如灯泡、荧光灯等，通过 电能、化学能等转化为光 能，具有可控性和多样性 。
光源特点
不同的光源具有不同的发 光原理、光谱分布和光照 强度等，对视觉产生不同 影响。
光线传播速度与介质关系
传播速度
光在不同介质中的传播速度不同，真 空中最快，约为3亿米/秒。
介质关系
光在传播过程中，遇到不同介质时， 会发生折射现象，折射角与入射角和 介质折射率有关。
反射、折射现象及原理
反射现象
光线遇到物体表面时，会发生反 射现象，反射角等于入射角，且 反射光线与入射光线位于同一平
小学科学光线与视觉
• 光线基本概念与性质 • 视觉系统结构与功能 • 光线对视觉影响分析 • 实验探究：观察不同条件下物体
颜色变化 • 保护眼睛，正确使用光源 • 总结回顾与拓展延伸
目录
01
光线基本概念与性质
光线定义及传播方式
光线定义
光线是表示光的传播路径和方向 的几何线，是一种理想化的物理 模型，用来描述光的传播特性。
面内。
折射现象
光线从一种介质斜射入另一种介 质时，会发生折射现象，折射角
与入射角和介质折射率有关。
原理
反射和折射现象都遵循光的传播 规律和光学原理，是光的基本特 性之一。通过反射和折射现象， 可以解释许多光学现象和视觉感
受。
02
视觉系统结构与功能
眼睛解剖结构及功能区域划分
角膜
位于眼球最外层，透明 且具有弹性，主要起到 折射光线和保护眼球的
结构光
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）(2006-10-26 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。
结构光3D视觉原理PPT课件
1、点结构光模式
如图所示，激光器发出的光束投射到物体上产生一个光点，光点经摄像机 的镜头成像在摄像机的像平面上，形成一个二维点。摄像机的视线和光束 在空间中于光点处相交，形成一种简单的三角几何关系。通过一定的标定 可以得到这种三角几何约束关系，并由其可以唯一确定光点在某一已知世 界坐标系中的空间位置。
11
结构光三维视觉模型
1、解析几何模型（公式过多，省略）
12
2、透视投影模型
13
摄像机坐标系与模块坐标系的空间位置关系可用下式表示：
但上式不能够由摄像机二维像点坐标（X,Y）得到唯一对
应的三维物点坐标
，还需要增加一个方程的约
束才能消除这种多义性，为此，设结构光光平面在模块坐
标系（注：其建立是任意的）下的方程为：
实际上，线结构光模式也可以说是点结构模式的扩展。过相机光心 的视线束在空间中与激光平面相交产生很多交点，在物体表面处的交点 则是光条上众多的光点，因而便形成了点结构光模式中类似的众多的三 角几何约束。很明显，与点结构光模式相比较，线结构光模式的测量信 息量大大增加，而其实现的复杂性并没有增加，因而得到广泛应用。
10
5、相位法
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，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。
结构光原理
结构光原理结构光是一种利用结构光投影仪和相机进行三维重建的技术。
它通过投射编码光条或光斑到被测物体表面，然后利用相机捕捉被测物体表面的图像，通过图像处理算法，可以得到被测物体表面的三维坐标信息，从而实现三维重建。
结构光原理是一种非接触式的三维测量技术，具有测量速度快、精度高、适用范围广等优点，因此在工业制造、医学影像、文物保护等领域有着广泛的应用。
结构光原理的核心是光条或光斑的编码和解码。
在结构光投影仪中，通过使用特殊的光学元件，可以将光源发出的光束分成多个光条或光斑，并对其进行编码。
这些编码后的光条或光斑投射到被测物体表面后，形成一种特殊的图案。
被测物体表面的图案被相机捕捉后，通过图像处理算法可以将编码信息解码，从而得到被测物体表面的三维坐标信息。
在实际应用中，结构光原理需要考虑光源、投影仪、相机等硬件设备的配合，以及图像处理算法的设计和优化。
光源的选择和光斑的编码方式会直接影响到测量的精度和速度。
投影仪的性能和相机的分辨率也会对测量结果产生影响。
因此，在实际应用中需要综合考虑硬件设备和算法的配合，以及环境光、表面反射等因素对测量的影响，从而得到准确的三维重建结果。
除了在工业制造、医学影像、文物保护等领域的应用外，结构光原理还在虚拟现实、增强现实等领域有着广泛的应用。
通过结构光原理可以实现对人体、物体的三维重建，从而为虚拟现实、增强现实等应用提供了重要的数据支持。
结构光原理的发展也推动了三维重建、计算机视觉等领域的发展，为人们带来了更多的可能性。
总之，结构光原理是一种非接触式的三维测量技术，具有测量速度快、精度高、适用范围广等优点，广泛应用于工业制造、医学影像、文物保护、虚拟现实、增强现实等领域。
在实际应用中，需要综合考虑硬件设备和算法的配合，以及环境光、表面反射等因素对测量的影响，从而得到准确的三维重建结果。
结构光原理的发展也推动了三维重建、计算机视觉等领域的发展，为人们带来了更多的可能性。
光学仪器的基本原理一眼睛的结构及其视觉原理课件
丝或刻度尺与物镜成的实象经目镜系统同样放大，就能准 确地测量象的长度和位置；惠镜中刻度尺或叉丝只能放在
F2面上测中间象，并因刻度尺或叉丝仅经视镜一次成象， 使目镜系统的消色差作用对它们不发挥作用，仅能在近 轴的小范围内给出清晰的刻度尺或叉丝的象。
2.冉斯登目镜
结构特点：由两个同种玻璃的平凸透镜构成，场镜、视镜 焦距相等，凸面相对，平面向外。
f1 f2
d＝
2 3
f1
M
25
f'
f’为目镜的象方焦距
第25页，共27页。
冉斯登目镜
第26页，共27页。
3.差别：
❖ 相同处：都有对各自物镜的象有再成象和放大作用
❖ 差别：惠目镜，物方焦点F在两镜间，冉镜物焦点F在 镜外。
ff’才能满足高斯公式，这就要求眼睛必须可自动
调焦。
第3页，共27页。
二.简化眼模型 从几何光学观点看，人眼是由角膜，晶 状体等各折射球面构成的共轴球面系统， 这一系统能在视网膜上形成清晰的象。 眼的光心——人眼的等效折射球面的曲率 中心c
第4页，共27页。
第5页，共27页。
第6页，共27页。
❖ 正常眼睛的近点约15cm（与年龄有关）
❖ 远点和近点之间的范围，即:眼睛的调节（焦）范围，即 物体位于此范围内均能在视网膜上成象。
第9页，共27页。
4.明视距离：
在适当的照明条件下，眼睛处于正常状态（即睫 状肌肉既不完全张紧，也不完全放松）所能看 清眼前物的距离，称明视距离,正常眼睛 d=25cm。
s' s
第8页，共27页。
3D-camera结构光原理
3D-camera结构光原理3D-camera结构光原理⽬前主流的深度探测技术是结构光，TOF，和双⽬。
具体的百度就有很详细的信息。
⽽结构光也有双⽬结构光和散斑结构光等，没错，Iphone X 的3D深度相机就⽤散斑结构光。
我⽤结构光模块做过实验，主要考虑有效⼯作距离，精度和视场⾓是否满⾜需求。
本⽂对结构光（Structured Light）技术做⼀个⽐较全⾯的简介。
结构光三维成像的硬件主要由相机和投射器组成，结构光就是通过投射器投射到被测物体表⾯的主动结构信息，如激光条纹、格雷码、正弦条纹等；然后，通过单个或多个相机拍摄被测表⾯即得结构光图像；最后，基于三⾓测量原理经过图像三维解析计算从⽽实现三维重建。
利⽤红外相机像素点信息求解被测物体深度信息需要经过：机构光解码、像素、空间坐标转换；为了满⾜获取深度信息的实时性，结构光模块内部⼀般会有⼀枚专⽤的处理芯⽚，⽤于计算并输出实时信息。
3D结构光⽬前的使⽤场景为：第⼀，物体信息分割与识别，3D⼈脸识别，⽤于安全验证、⾦融⽀付等场景；第⼆，体感⼿势识别，为智能终端提供新的交互⽅式；第三，三维场景重建，利⽤深度相机⽣成的深度信息（点云数据），结合RGB彩⾊图像信息，可完成对三维场景的还原，可⽤于测距，虚拟装修等场景。
基于结构光的三维成像，实际上是三维参数的测量与重现，主要是区别于纯粹的像双⽬⽴体视觉之类的被动三维测量技术，因⽽被称为主动三维测量。
因为他需要主动去投射结构光到被测物体上，通过结构光的变形（或者飞⾏时间等）来确定被测物的尺⼨参数，因此才叫做主动三维测量，嗯，相当主动。
⾸先，结构光的类型就分为很多种，既然是结构光，当然是将光结构化，简单的结构化包括点结构光，线结构光以及简单的⾯结构光等。
复杂⼀点的结构化就上升到光学图案的编码了。
结构光投射到待测物表⾯后被待测物的⾼度调制，被调制的结构光经摄像系统采集，传送⾄计算机内分析计算后可得出被测物的三维⾯形数据。
结构光照明成像原理
结构光照明成像原理一、引言结构光照明成像是一种常见的三维成像技术，它通过投射特定的结构光模式，并通过对被照物体的光斑进行分析，从而获取物体的三维形状信息。
本文将详细介绍结构光照明成像的原理和应用。
二、结构光照明成像原理结构光照明成像原理基于三角测量原理，它通过测量光斑的位移来推算物体表面的形状。
具体步骤如下：1. 发射结构光：结构光一般由光源和光栅或投影仪组成。
光源可以是激光器或LED等，光栅或投影仪用于产生特定的结构光模式。
光源将结构光投射到被测物体上。
2. 形成光斑：被测物体表面的凹凸不平会导致结构光在物体表面产生不同的投影，形成光斑。
光斑的形状和位置与物体表面的形状和位置有关。
3. 摄像：在光斑形成后，使用摄像机或其他光学传感器来捕捉光斑的图像。
摄像机可以是单个像素或具有多个像素的阵列。
4. 分析图像：通过分析摄像机捕捉到的光斑图像，可以推算出物体表面的形状。
分析包括计算光斑的位置、形状和大小等信息。
5. 三角测量：通过测量光斑的位置和形状，可以计算出物体表面各点的三维坐标。
三角测量原理基于光斑在空间中的位置关系和相机的内外参数。
三、结构光照明成像的应用结构光照明成像广泛应用于三维扫描、机器人视觉、虚拟现实等领域。
下面将分别介绍其在不同领域的应用。
1. 三维扫描：结构光照明成像可以用于实现快速、准确的三维扫描。
通过将结构光照射到待测物体上，捕捉光斑图像并进行分析，可以获取物体的三维形状信息。
这在工业制造、医学领域等都有广泛应用，如产品检测、医学成像等。
2. 机器人视觉：结构光照明成像可以用于机器人的视觉导航和目标识别。
通过结构光照明成像，机器人可以获取物体的三维形状信息，并根据该信息来进行路径规划、障碍物避免等操作。
这在自动化生产线、无人驾驶等领域具有重要的应用价值。
3. 虚拟现实：结构光照明成像可以用于虚拟现实技术中的手部追踪、姿势识别等应用。
通过使用结构光照明成像技术，可以获取用户手部的三维形状信息，并将其应用于虚拟现实场景中，实现与虚拟物体的交互。
结构光的原理与应用
结构光的原理与应用1. 引言结构光是一种利用光学投影技术来获取物体表面形状和纹理信息的方法。
它通过投射特殊编码的光斑模式，然后通过光学测量和图像处理，可以准确地重建出被测物体的三维形状。
结构光技术在计算机视觉、虚拟现实、工业制造等领域有着广泛的应用。
2. 结构光的原理结构光的原理基于三角测量的原理。
通过将物体投射特殊光斑模式的光，然后观察被投射的光斑模式发生变化时物体表面的形状，从而得到物体的三维坐标。
结构光通常使用激光器、投影仪和相机作为主要的硬件设备。
具体的原理如下：•激光器发射一束平行光，通过透镜和光栅等光学元件，将激光束变成特定的编码光斑。
•投影仪将编码光斑投射到被测物体上，光斑在物体表面产生变形，通过观察光斑在物体上的形变，可以推断物体表面的形状。
•相机捕捉投射在物体上的光斑图案，并记录下光斑图案在图像上的位置。
•经过图像处理算法，可以将光斑图案的位置信息转化为物体表面的三维坐标。
3. 结构光的应用结构光作为一种非接触式的三维测量技术，具有精度高、测量速度快等优点，在许多领域都得到了广泛的应用。
3.1 工业制造•结构光可以用于工业制造中的模具检测和产品质量检测。
通过结构光测量，可以快速地获取产品的三维形状，用于检测产品的几何尺寸和表面缺陷。
•结构光也可以应用于工件的自动化定位和对位。
通过获取工件表面的三维坐标，可以精确定位和对位，提高生产效率。
3.2 计算机视觉•结构光可以用于计算机视觉领域的3D重建。
通过结构光技术，可以快速地获取场景中物体的三维形状和纹理信息，用于计算机图形生成和虚拟现实应用。
•结构光也可以用于人脸识别和姿态跟踪。
通过获取人脸表面的三维坐标，可以提高人脸识别的准确性，并实现人脸姿态的跟踪和分析。
3.3 医疗领域•结构光可以用于医疗领域中的口腔扫描和牙齿矫正。
通过结构光测量，可以获取患者口腔中牙齿的三维形状和位置信息，用于制作口腔矫治器。
•结构光也可以应用于皮肤病诊断和治疗。
机器视觉原理及应用教程 第5章 线结构光三维测量
5.2 单目线结构光测量原理
5.2.1 激光三角法简介
根据三角形正弦定理可得公式如下:
公式 (a) 公式 (b)
通过公式(a)可以推导出公式(c):
公式 (c)
严谨严格，求实求是
公式 (d)
5.2 单目线结构光测量原理
5.2.2 单目线结构光的光平面标定方法
线结构光标定即求解线激光器投射出的光平面方程的过程，光平面空间方程是获得 被测物体表面上光条中心点相机坐标的前提条件，光平面空间方程的求解精度，直 接对最终视觉系统的测量精度产生影响。
在光平面标定的过程中，将线结构光投射到特制靶标上，已知在世界坐标系下靶 标上的特征点之间的相对关系。在标定的过程中，将线激光发射器固定，并将线 结构光投射至靶标平面上并与特征点重合，通过改变标靶的位姿，可以获得若干 幅标靶图像，利用每幅图像上靶标的特征点，可以获得每个位姿下的相机外参及 特征点的世界坐标，通过获取足够多的特征点进行几何约束。
一个完整的双目视觉系统的基本过程是，首先对左右相机进行标定，得到左右相机的内参数 矩阵和两个相机之间的坐标系转换关系矩阵；然后两相机同时采集图像，分别提取左右像面 的特征点进行立体匹配，最后利用之前标定得到的畸变系数，根据畸变模型，将实际像素坐 标校正为理想像素坐标，再代入模型中计算空间三维坐标进行三维点的重建。本节所使用的 线结构光只是辅助提供测量特征点，激光束经柱面镜形成光条，在扫描物体表面过程中提供 方便测量的特征，且激光条的亮度高，成像之后特征点与背景图像的对比度高，容易从背景 图像中提取出来，图像处理也相对简单。
严谨严格，求实求是
图5-3 Steger算法中提取效果图
5.1 线结构光提取
5.1.2 线结构光中心线提取方法研究
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结构光三维视觉模型
1、解析几何模型（公式过多，省略）
2、透视投影模型
摄像机坐标系与模块坐标系的空间位置关系可用下式表示：
但上式不能够由摄像机二维像点坐标（X,Y）得到唯一对
应的三维物点坐标 (xL , yL , zL )
，还需要增加一个
方程的约束才能消除这种多义性，为此，设结构光光平面
在模块坐标系（注：其建立是任意的）下的方程为：
1、点结构光模式
如图所示，激光器发出的光束投射到物体上产生一个光点，光点经摄像机 的镜头成像在摄像机的像平面上，形成一个二维点。摄像机的视线和光束 在空间中于光点处相交，形成一种简单的三角几何关系。通过一定的标定 可以得到这种三角几何约束关系，并由其可以唯一确定光点在某一已知世 界坐标系中的空间位置。
实际上，线结构光模式也可以说是点结构模式的扩展。过相机光心 的视线束在空间中与激光平面相交产生很多交点，在物体表面处的交点 则是光条上众多的光点，因而便形成了点结构光模式中类似的众多的三 角几何约束。很明显，与点结构光模式相比较，线结构光模式的测量信 息量大大增加，而其实现的复杂性并没有增加，因而得到广泛应用。
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2019/7/23
结构光3D视觉原理
图像处理、分析与机器视觉
三维视觉技术分类 结构光三维视觉系统和原理 结构光模式 结构光三维视觉模型
三维视觉技术分类
三维视觉技术主要包括双目立体视觉和结构光 三维视觉，还有其他的三维视觉技术，如由明暗恢复性 状、由纹理恢复形状、激光测距、莫尔阴影与散焦测距；
按照景物的照明条件，三维视觉技术可分为被 动和主动两大类，前者中景物的照明是由物体周围的光 照条件来提供，而后者则使用一个专门的光源装置来提 供目标物体周围的照明；
5、相位法
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，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。
按照这种分类，前面介绍的双目立体视觉是 被动方式，而结构光三维视觉则是主动方式。
结构光三维视觉系统和原理
结构光测量系统主要由结构光投射装置、摄像机、 图像采集及处理系统组成。Fra bibliotek投影 设备
被测 物体
读取 图像
图像 处理
三维 重构
结构光模式
根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式 又可分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式、 面结构光模式、相位法等
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
2、线结构光模式
线结构光模式是向物体投射一条光束，光条由于物体表面深度的变化 以及可能的间隙而受到调制，变现在图像中则是光条发生了畸变和不连续， 畸变的程度与深度成正比，不连续则显示出了物体表面的物理间隙。任务 就是从畸变的光条图像信息中获取物体表面的三维信息；
很明显，与点结构光模式相比较，线结构光 模式的测量信息量大大增加，复杂性没有增 加因而得到广泛应用
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2019/7/23
3、多线结构光模式
多线结构光模式是光带模式的扩展。如图，由光学投射器向物体表面投射 了多条光条，其目的的一方面是为了在一幅图像中可以处理多条光条，提 高图像的处理效率，另一方面是为了实现物体表面的多光条覆盖从而增加 测量的信息量，以获得物体表面更大范围的深度信息。也就是所谓的“光 栅结构模式”，多光条可以采用投影仪投影产生一光栅图样，也可以利用 激光扫描器来实现。
较之光带模式，多线结构光模式的效率和 范围增加，但同时引入了标定复杂性的增 加和光条识别问题
4、面结构光模式
当采用面结构光时，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。
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。 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