主动三维视觉传感技术的研究

收稿日期:2005-12-08.　

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50275049).光电技术应用

主动三维视觉传感技术的研究

刘　晨,费业泰,卢荣胜,张勇斌,陈晓怀

(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009)

摘　要:　主动三维视觉传感技术主要有飞行时间法、点结构光扫描法、线结构光扫描法和编码面结构光法、莫尔法、相位测量轮廓术、傅里叶变换轮廓术等。介绍了上述各种技术的基本原理

和优缺点。提出了一种新的技术,即单幅二维图像不标定自适应三维场景重构技术,给出了它的原理并讨论了其特点。

关键词:　机器视觉;主动视觉;三维形貌测量;结构光中图分类号:TP212　文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2006)05-0618-03

32D Active Vision Sensing T echnique

L IU Chen ,FEI Ye 2tai ,L U Rong 2sheng ,ZHAN G Y ong 2bin ,C H EN Xiao 2huai

(School of Apparatus Science and Photoelectric E ngineering ,H efei U niversity of T echnology ,H efei 230009,CHN )

Abstract :　32D active vision sensing technique is mainly involved in time 2of 2flight met hod ,point st ruct ured light scanning ,linear struct ured light scanning and space encoding struct ured light met hod ,Moire contouring ,p hase measuring profilomet ry ,Fourier t ransform profilometry ,etc.The basic p rinciple and characteristics of all t hese met hod are int roduced.A new met hod ,i.e.,t he 32D shape from a single image and non 2calibration technique is proposed.It s p rinciple is given ,and it s feat ures are discussed.

K ey w ords :　machine vision ;active vision ;32D image measurement ;st ruct ured light

1　引言

随着计算机技术和数字摄像技术的发展,机器

视觉技术近年来发展十分迅速。基于机器视觉技术,由摄像机摄取三维(32D )场景中的物体图像,获取该物体三维坐标数据,重构三维场景与物体的三维模型,确定物体在三维空间中的形状、大小、位置和方向,在产品质量检测、机器人定位与导航、逆向工程、工业造型设计、模具制造、文物修复、量体裁衣、人体面形美容与假肢制作、农作物分类等方面具有广阔的应用前景。

当前用光电技术来获取物体三维信息的方法非常多,大致可分为被动三维视觉传感和主动三维视觉传感。主动三维视觉传感是将结构光用投影仪投

射到物体表面,通过物体表面的高度不同对结构光进行调制而获得三维信息。而被动视觉传感是采用自然光或普通照明光对物体进行照明[1]。

主动三维视觉传感测量的精度和可靠性较高,因此在三维测量中得到广泛应用,大多数以三维面形测量为目的的三维传感都采用主动三维视觉传感。主动三维视觉传感根据三维面形对结构光照明光场调制方式不同,可分为基于三维面形对结构照明光束产生的时间调制的飞行时间法和三角法,后者以传统的三角测量为基础,如点结构光、线结构光、编码面结构光法。已经研究的另一些更复杂的三维面形测量技术,包括莫尔法、傅里叶变换轮廓术、相位测量轮廓术等也最终归结于三角测量法[2]。

本文就主动三维视觉传感的各种方法进行总结,并重点对一种新型的主动三维视觉传感———单幅二维图像不标定三维场景重构技术作介绍。

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816・SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol.27No.5Oct.2006

2　各种三维主动视觉传感技术

2.1　飞行时间法(T OF)[2～4]

系统由三部分组成:发射器、接收器和时间间隔测量单元。一个激光脉冲信号从发射器发出,经物体表面漫反射后,沿几乎相同的路径返回到接收器,测出光脉冲从发出到接收之间的时间间隔Δt,就可以计算出距离z,z=kvΔt,k是系统几何参数确定的常数,v为传播速度。用附加的扫描装置使光束扫描整个物面可得三维面形。飞行时间法测距的关键是如何精确测量光波的往返时间Δt,测量的方法有两种。一是脉冲间隔测量法:光源是脉冲式发射,通过测量脉冲往返时间间隔来得到距离;另一个是相位测量法:光源是连续光束,通过测量光波的往返间的位相差而得到距离。

飞行时间法具有较高的距离分辨率,运行速度快,可以避免在三角测量法中所碰到的由于阴影产生的“盲点”问题,但技术实现难度较大。

2.2　结构光三角法[5]

光学三角法是以传统几何学中的三角测量为基础,用光学三角测距原理构成多种多样的视觉传感器,主要分点结构光、线结构光和编码面结构光法。

2.2.1　点结构光扫描法[6]

激光器投射一个光点到待测物体表面,被测点的空间坐标可由投射光束的空间位置和被测点成像位置所决定的视线空间位置计算得到。由于每次只有一个点被测量,为了形成完整的三维面形,必须有附加的二维扫描。它的优点是对信号处理比较简单,缺点是需对光束作二维方向的扫描。

2.2.2　线结构光法[7]

由线光源和面阵CCD摄像机组成。线光源产生一个光平面投射到被测物体表面而形成一条光带,根据上述同样的原理,被光源照明的物体线上各点的三维位置可通过图像中其在像平面上的坐标以及光束平面的空间位置等参数得到。由于一次只能得到一条光带上的三维数据,因此为获得完整的三维面形,需要进行一维扫描。与点结构光法相比,其硬件结构比较简单,数据处理所需的时间也较少。

2.2.3　编码面结构光法

它是由一投影仪、一面阵CCD组成。结构光照明系统投射一个二维图形(这种图形可以是多种形式)到待测物体表面,如将一幅网格状图案的光束投射到物体表面,三维面形同样可以通过三角法计算得到。它的特点是不需扫描,适合动态测量。总之,三角法精度很高,但摄像机可能接收不到部分照明区,造成部分数据的丢失。

2.3　莫尔法(Moire)[3,5,8]

莫尔法一般分为光栅照射法和光栅投射法。光栅照射法是将光栅置于被测物体的附近,光照射到光栅,透过光栅照射到物体表面,形成光栅像的变形,此变化了的光栅像由物面反射后再经过此光栅,在观察点就能获得含有物体表面各点的距离信息的莫尔等高条纹,对莫尔条纹的分布作解码数据处理就可以得到物体表面的三维面形数据。光栅投影法与光栅照射法不同,它是通过投影仪把光栅投射到物体表面,再用成像系统把物体表面上的变形光栅成像到像面上,经像面上另一相同光栅的重叠而产生莫尔条纹。

莫尔法的优点是对整幅图像的数据进行处理,可以很快、很容易地测量整个物体的形貌,它的精度与三角法相当,但莫尔法要求被测物表面深度不能太大,不能在自然光背景下工作。

2.4　相位测量轮廓术(PMP)[2,7,9]

它是由正弦光栅投影仪、图像传感阵列照相机以及微型电子计算机数据获取与处理三部分组成。当一个正弦光栅图形被投影到三维漫反射物体表面时,由成像系统就可获取变形的光栅像。它的光强中的相位函数Φ(x,y)表示了条纹的变形,并且与物体的三维面形z=h(x,y)有关。相位和三维形状之间的关系取决于系统的结构参数。相位的确定可以通过相移算法、相位展开而得到。由位相Φ(x, y)就可求出物体的高度。此方法的优点是粗条纹可用来测量大型物体表面的变化,细条纹可以用来测量微小的物体表面细节,分辨率高,不连续点可被测量,并且只需一个简单的正切函数的计算。

2.5　傅里叶变换轮廓术(FTP)[2,10]

此方法的光学结构类似于莫尔投影法。它将罗奇光栅产生的结构光投射到待测物体表面,得到被三维物体面形分布调制的变形条纹光场,成像系统将此变形条纹光场成像于面阵探测器上,然后用计算机对像的强度分布进行傅里叶分析、滤波和处理,就可得到物体的三维面形分布。

此方法的优点是不需要产生莫尔条纹,所以它没有莫尔法的种种难点,并且比莫尔法有更高的灵敏度。此方法数据获取速度快,并适于计算机进行处理。

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《半导体光电》2006年10月第27卷第5期刘　晨等:　主动三维视觉传感技术的研究