结构光技术

1结构光技术

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。

2. 2测量原理

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'