基于结构光的三维测量技术研究

宋少哲 牛金星 张涛

摘 要：三维测量技术是计算机视觉领域的重要课题，也是工业技术发展的方向之一。为获取物体的三维信息，必须对物体进行测量。基于结构光的三维测量技术作为一种非接触、主动式的测量方法，有着广泛的应用前景。本文主要介绍了结构光测量技术的研究进展，从三维测量技术开始探讨，对结构光测量技术的发展现状进行了总结，并提出测量系统中的两个关键技术，最后分析了结构光三维测量技术的发展趋势。

关键词：三维信息;三维测量技术;结构光

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）22-0014-03

Research on Three-dimensional Measurement

Technology Based on Structured Light

SONG Shaozhe NIU Jinxing ZHANG Tao

Abstract： Three-dimensional measurement technology is an important subject in the field of computer vision， andalso one of the directions of industrial technology development. In order to obtain the three-dimensional information of the object， it is necessary to measure the object. As a non-contact and active measurement method， the three-dimensional measurement technology based on structured light has broad application prospects. This paper mainly introduced the research progress of structured light measurement technology， starting from three-dimensional measurement technology， summarized the development status of structured light measurement technology， and put forward two key technologies in the measurement system. Finally， the development trend of structured light three-dimensional measurement technology was analyzed.

Keywords： three-dimensional information;three-dimensional measurement technology;structured light

目前，人类所能感知的空间是三维的，客观物体在三维空间中以立体的形态存在。人们对客观物体的认识首先开始于视觉，能大概知道物体的外形和尺寸。后来，人们已经不满足于對客观物体的定性观察，而开始对客观物体进行定量测量。在对物体进行测量的过程中，一些测量技术得到发展，传统的测量方法已经很难满足效率及精度要求。随着工业现代化的推进，测量技术水平不断提高，其中基于结构光的三维测量技术成为研究热点之一。

1 三维测量技术概述

三维测量技术是获取物体三维信息的一种技术，其是指利用测量仪器、采取一定的测量手段获取空间三维坐标的方法[1]。物体的三维信息是人类认识和改造世界的重要依托。三维空间内的物体大小不一、形态各异，对测量技术有着不同的要求。

经过几十年的发展，三维测量方法可以分为接触式测量和非接触式测量两大类[2]。接触式测量就是利用测量工具与被测量物体接触来进行测量，是一种非常直观且易实现的测量方法。但接触式测量的受测物体种类有限，还可能发生接触性破坏，而且测量耗费时间。为了弥补接触式测量的不足，人们对非接触式测量进行了深入研究。

非接触式测量就是在不与受测物体接触的情况下，以有效获取物体三维信息的测量。根据测量系统采取信号源的不同，其分为主动式测量和被动式测量两种[3]。被动式测量不需要对场景发射测量信号，只由环境本身的光源作为信号，虽然这种测量方法对成像设备要求不高，但对特征不明显的物体来说，难以获取较精确的三维数据。主动式测量则是对受测物体发射测量信号来进行测量。在主动式测量中，作为测量信号的可以是可见光、激光，也可以是电磁波、声波等。从测量方法来看，主动式测量包括激光测距法、结构光法和信号干涉法等[3]。

结构光法是主动式测量技术中的一个重要方法，其利用被待测物体所调制的结构光图像结合三角测量原理来获取物体的三维数据。随着计算机视觉相关领域的发展，如摄像机标定技术、计算机图像处理技术的进步，测速快、精度高的结构光测量法在行业内逐渐受到肯定。

2 结构光三维测量技术研究现状

根据光的结构形式，可将结构光三维测量分为点结构光测量、线结构光测量、面结构光测量[4]。20世纪70年代初，点结构光测量技术开始出现，虽然能在准确获得激光点的情况下获得该点的空间坐标，但通常被测量的物体体型庞大，测量效率较低。线结构光测量方法是用线型代替点型，虽然精度没有点结构光测量高，但扫描效率提高。该测量技术已发展成熟，市面上也有相关产品。面结构光测量方法是单线结构光的升级版，利用一幅完整图案对物体进行测量，相比点结构光和线结构光测量，测量效率最高，其测量精度也较高。但是，在利用面结构光对物体进行测量时，图像处理的算法复杂庞大，目前还需要进一步研究。

国外对结构光测量技术的研究比国内早很多年，部分发达国家在这方面的研究已经非常成熟，相关产品已经运用到工业生产中。可以从技术研究和产品开发两方面来了解国外结构光测量技术的发展。在技术研究方面，国外技术人员从点结构光着手研究，然后过渡到线结构光，再到面结构光，从黑白结构光到彩色结构光，测量技术不断得到创新。当前的研究重点主要涉及彩色编码技术、共聚焦技术等[5]。在产品开发方面，美国、日本等国家的研究机构生产出了测量精度非常高的测量仪器，并且广泛应用于工业生产、社会生活等，如德国的Breuckmann公司、美国的ARTEC公司、瑞士的IMETRIC等[6]。

我国工业发展由于历史问题等因素，起步晚、发展慢，使得我国工业技术水平在整体上落后于国外。此外，由于我国计算机技术发展缓慢，因此，在三维測量技术研究方面暂时落后于西方国家。但是，随着我国最近几十年的发展，经济腾飞，工业技术得到突破，三维测量技术需求不断上升，国内一些大学和相关研究机构对三维测量技术进行了重点研究。例如，傅里叶变化轮廓术、光学三维密集点云测量、数字近景工业三维摄影测量、三维高精度光学定位技术、纳米级光学三维测量等，成果丰硕[7]。四川大学、西安交通大学、清华大学、华中科技大学、天津大学和浙江大学等一系列高校都对三维测量技术的发展做出了重要贡献，其中一些研究成果在世界领先。

3 结构光测量系统中的关键技术

3.1 系统标定

结构光三维测量系统标定分为相机标定和投影仪标定[8]。利用相机成像模型，确定世界坐标[Xw，Yw，Zw]和相机像素坐标[x，y]之间的转换关系：

[xy=λXwYwZw]                               （1）

其中[，][λ]代表相机的内外参数。

相机标定方法种类繁多，发展得也比较成熟，其可分为传统相机标定方法、主动视觉标定法和自标定法[9]。传统的标定方法是利用一个已知几何参数的标定板作为参照，建立摄像机模型，通过一定的算法获取相机参数。传统相机标定方法中应用较为广泛的是张正友标定法。主动视觉的标定方法则不需要标定板，而是根据相机的运动信息来进行标定。但该方法要求设备精度高，操作方法复杂，实际应用中较为不方便。自标定法即不需要使用外部设备，就能进行相机标定。但该方法鲁棒性差，测得的精度也不高，发展还不成熟。

投影仪的标定则需要借助相机的标定来完成，利用的方法是反向投影法。一般将投影仪看成是逆向的相机来建立投影仪的标定模型，从而实现投影仪的标定，而且标定精度较高。

3.2 相位提取

三维测量中的相位提取技术非常重要，其影响整个测量系统的精度。根据结构光三维测量技术流程，将具有编码的结构光投射到物体表面，利用相机采集图像，然后分析解码计算出各点的相位值，最后与原始编码图像进行对比，实现空间坐标点和图像像素点之间的匹配[10]。

所以说，相位提取就是一个编码与解码的过程。结构光的编码方式较多，具有代表性的有二灰度级编码、时间编码、格雷码与相移结合、彩色编码等。其中，彩色编码技术已成为主要研究方向[11]。目前，相移结构光三维测量技术的发展已经相对成熟，由于具有高精度、高效率、鲁棒性强等优点被广泛使用。

4 结构光三维测量技术发展趋势

当今，科学技术发展日新月异，三维测量技术也应工业生产的需求得到快速发展。结构光三维测量技术已经广泛应用于机械加工、质量检测、数字化文物、虚拟现实、医疗服务等领域[12]。

结构光三维测量技术因其系统设计本身或其设备过于笨重，往往不能满足特殊工作场地的要求，需要进一步完善。需要改善的地方主要有以下几方面：测量设备体积小型化;提升测量实时性;降低测量产品成本;提高测量精度;完善模型重建算法。

5 结语

本文对结构光三维测量技术的发展情况进行了总结。传统的三维测量技术已经不能满足于现代工业生产的需求，结构光三维测量技术应运而生。其以精度高、速度快、适用范围广等优点得到迅速发展。国内外研究机构对结构光三维测量技术进行了大量研究，结构光三维测量已经成为非接触式测量技术中较为成熟的测量手段。

参考文献：

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