一款结构光三维扫描测量装置的设计

魏茂 王修竹 刘涌

摘 要： 结构光三维扫描仪具有高速度、高精度、获取的点云密集等特点，得到了市场的广泛认可，广泛应用于精细化测量领域。基于时间相位展开算法和双目视觉原理，利用工业相机和光栅投影仪构建了一套结构光栅三维扫描测量实验装置，较为全面地阐述了设计方案和设计步骤，为从事三维结构光测量的研究者和应用开发者提供了一种参考方案。实验结果表明，该装置能够有效地支持结构光扫描，具有较高的测量精度。

关键词： 三维测量； 结构光栅投影； 立体视觉； 测量装置

中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）09-01-03

Abstract： Structured light 3D scanner has been widely recognized in the market and used in three-dimensional measurement fields because of its characteristics of high speed， high precision and dense point cloud. In this paper， a set of experimental device for 3D scanning measurement of structural grating is constructed using industrial camera and grating projector based on temporal phase unwrapping and stereo vision. The specific design scheme and design steps are described in detail， which provides a reference scheme for researchers and application developers engaged in 3D structural light measurement. The experimental results show that the device can effectively support structured light scanning and has high measurement accuracy.

Key words： three-dimensional measurement； structured grating； stereo vision； measurement device

0 引言

近年来，3D打印技术与虚拟现实技术的快速发展，为3D测量与数字建模技术打开了广阔的应用市场。结构光三维扫描仪因其扫描精度高、测量速度快、获取的点云密集等特点，被广泛应用于工业检测、机械仿制、文物保护等领域。尽管相关产品已广泛投放市场，但对于初涉该项技术的研究者和开发者而言，公开发表的相关技术资料还非常稀少。有鉴于此，本文介绍了一款结构光栅三维扫描仪的设计过程，为研究者和应用开发者搭建实验平台提供一些参考，有助于推广结构光3D扫描技术在我国的应用。

1 主要部件选型

所开发的结构光三维扫描仪由双目相机、光栅投影仪两个主要光电部件构成。

⑴ 光栅投影机

出于性能考虑，本文采用巨维达PDC03型结构光栅投影机[1]。其主板输入输出接口如图1所示。

该投影机主要包含MiniUSB接口、同步输出/CCD外触发接口、电源接口等。采用蓝光LED灯投影，刷新频率60Hz。

⑵ 双目相机

选用两台Basler Aea1300-30gm工业相机[2]作为同步光栅数据采集之用，具有内触发、软触发、外触发三种工作模式，最大帧率30Hz。测量前，两台相机应分别对准被测物体，如图2所示连接并固定在一起，构成双目相机，两相机之间的距离约10CM左右。

2 系统体系结构设计

测量系统体系结构通常是按照测量覆盖范围和测量精度进行规划的，也可以根据实际测量物体的大小进行动态调整。本系统采用如图3所示的系统结构，设定测量覆盖范围为30CM×25CM，因此需要分别调整光栅投影机和双目相机与被测物体距离，以及投影机与双目相机之间的距离，使得投影机的投影图像和相机镜头的可视区域均能够覆盖设定的同一区域。

3 辅助模块与连线

图4为测量系统各主要部件之间的连线示意图。PC与投影仪之间使用USB信号线连接，通过MiniUSB接口控制光栅投影机，完成光栅图像序列从PC到投影机的传输与存储、设置图像投影时间与投影顺序、发出投影控制信号等功能。

PC的扩展槽中需插入一块多通道数据采集卡，用于PC实时控制两路相机曝光并获取相机采集的图像数据。本文选择了Intel （R） Gigabit ET Quad Port Server Adapter作为图像采集卡（具有4个千兆数据传输通道），使用其中两路数据通道，通过两根数据线分别连接到两台工业相机。测量前应预先安装设备驱动程序，并设置好道数据采集卡端口和相机端口的IP地址及相關初始化数据。

投影仪与两台工业相机之间通过外触发接口相连，相机需要预先设置为外触发模式。扫描仪工作过程中，每当投影仪切换图片的时候，会自动发送一个触发脉冲信号到两台相机，相机将自动曝光并各自采集一幅图像。

4 相关准备工作

⑴ 标定双目相机

按照双目视觉原理，需要预先标定双目相机的内外参数，才能精确计算像点视差及的深度信息。可以利用MATLAB提供的Stereo Calib Toolbox工具包[3]进行标定，本文采用OpenCV[4]提供的角点提取算法，结合其中的张正友标定算法[5]进行双目相机的内外参数标定。

⑵ 制作结构光栅图像序列

结构光栅三维扫描仪通过投射并同步采集一些预先制作的光栅图像，按照确定的相位展开算法进行运算，最终按照测量机构的位置参数来计算物体的三维点云。因此，需要根据相位展开算法确定并制作结构光栅图像序列。

本测量系统拟采用四步相移法[6]计算包裹相位，采用岳慧敏[7]時间相位展开算法计算展开相位，其时间序列为t=1，8，64，按照LIU算法[8]进行双像相位特征匹配。根据PDC03型投影机的特点，制作的光栅图片应为分辨率1280*800的24位灰度图像，并按照横向和纵向两个方向排列正弦光栅。因此，需要制作横/纵两个方向的两套光栅条纹图像，每套图像包含t=1，8，64三种频率的光栅，且每种频率光栅均包含0?、90?、180?、270?四种相移光栅，共计需要2×3×4=24幅结构光栅条纹图像，构成投影光栅图像序列。

5 数据采集过程的控制流程设计

在前期工作准备完成之后，开始设计PC机的控制程序，需要完成以下工作。

⑴ 初始化工作

PC调用投影仪SDK接口，将设计好的一组正弦光栅图像按顺序存储到投影仪，并根据需要设置单张图片的投影时间、投影间隔等参数，具体参数设置请参阅PDC03相机的参数说明书。

PC调用相机的SDK接口，设置两台相机的采集图像格式（幅宽1280，幅高1024、黑白模式等），曝光模式（外触发）、曝光时间（以64周期光栅图片采集图片不出现大量连续的欠饱和或过饱和为依据动态调整）、采集帧率（60）等，具体参数请查阅Basler相机提供的参数说明书。

⑵ 数据采集控制流程

PC调用相机SDK向投影机发送开始投影命令，投影机将定时投影结构光栅图像序列到被测物体表面，每投影一帧图像，将通过外触发信号触发两台相机。相机在每收到一个投影仪的外触发信号后自动曝光并各自采集一幅图像。序列投影完成后，每台相机将采集到24幅图像。

6 点云计算流程

根据四步相移法进行相位展开，获得包裹相位图。对横/纵两个方向分别运用岳慧敏时间相位展开算法，计算获得横/纵方向的展开相位。两台相机可分别获得展开相位。利用LIU[8]的对应点查找算法，获得两相机图像空间所有的匹配点对，以上各步骤的流程如图5所示。传入双目相机标定参数，通过OpenCV提供的畸变矫正算法和立体匹配算法计算三维点云。

7 实验与结论

应用以上结构光三维扫描装置分别对标准平面和球面进行测量，测量结果及误差分布如图6所示。实验数据表明：本测量系统的平面点云测量误差在-0.298mm到0.172mm之间，标准误差为0.056mm。球面点云测量误差在-0.151mm到0.139mm之间，标准误差为0.025mm。实验结果表明，该实验系统由于测量覆盖范围较小，因而具有较高的测量精度，适合于对精度要求较高的测量环境。

参考文献（References）：

[1] http：//www.gvinda.com/product_show.asp？id=129

[2] https：//www.baslerweb.com/cn/products/cameras/area-scan-cameras/ace/aca1300-30gc/

[3] http：//www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/index.html

[4] https：//opencv.org/

[5] Z. Zhang. A flexible new technique for camera calibration[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence， IEEE Transactions on，2000.22（11）：1330-1334

[6] C. Reich， R. Ritter and J. Thesing. 3-D shapemeasurement of complex objects by combining photogrammetry and fringe projection[J]. Optical Engineering，2000.39（1）：224-231

[7] 岳慧敏，苏显渝.时间位相展开方法研究进展[J].激光杂志，2004.25（3）：9-12

[8] Liu Yong， A correspondence finding method based onspace conversion in 3D shape measurement using fringe projection[J].Optics Express，2015.23（11）：14188-14202