結構光成像

隨著我(wo)們文(wen)明的集體需求變得越(yue)(yue)來越(yue)(yue)復雜(za)，過去(qu)的二(er)維成像方法已(yi)經給(gei)我(wo)們對周圍世界的感知和理(li)解造成了限制(zhi)。我(wo)們生活在3D世界中，許多應用領域(yu)都可以從(cong)3D意識中受益(yi)。

我們的“立體”眼睛和認知處理能力建立起我們的三維意識，但是提取三維信息并不是只能通過立體視覺。目前我們已經開發了幾種不同的3D方法并將其應用于機器視覺，其(qi)中一種迅速流行(xing)（和(he)實用）的方(fang)法就是(shi)結構化光(guang)成像。

結(jie)構化光成(cheng)像使用特定的(de)(de)(de)(de)(de)（通常是調(diao)制的(de)(de)(de)(de)(de)）光圖案(an)(an)和2D成(cheng)像相機(ji)來捕獲表面的(de)(de)(de)(de)(de)3D形(xing)(xing)貌。Photoneo是結(jie)構照明系統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個(ge)典型示例，現已在工業上被廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)際應用。這個(ge)概(gai)念很簡單：將已知的(de)(de)(de)(de)(de)圖案(an)(an)投影到表面上。當相機(ji)從(cong)一(yi)個(ge)（或多個(ge)）不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)角度查看圖案(an)(an)時，目標(biao)(biao)的(de)(de)(de)(de)(de)表面特征會(hui)使圖案(an)(an)變(bian)形(xing)(xing)，如圖1所(suo)示。圖案(an)(an)變(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)方向和大小用于重構目標(biao)(biao)對(dui)象的(de)(de)(de)(de)(de)表面形(xing)(xing)貌。

圖(tu)1：規則的條紋(wen)(wen)圖(tu)案投射到球上。球的圓(yuan)形(xing)表面使條紋(wen)(wen)變形(xing)，并且變形(xing)的圖(tu)像被相機捕獲以進行分(fen)析和對(dui)象重建(jian)。

在圖1所示的(de)(de)(de)示例中，已(yi)說明(ming)了規(gui)則的(de)(de)(de)正弦波模式。這種(zhong)(zhong)(zhong)類型的(de)(de)(de)模式通常(chang)用于(yu)相移(yi)順序投(tou)影方(fang)法，這只是(shi)已(yi)開(kai)發的(de)(de)(de)幾種(zhong)(zhong)(zhong)方(fang)法之(zhi)一。其他包括(kuo)連續變化的(de)(de)(de)彩虹圖案，灰(hui)度或色(se)帶(dai)索引(yin)，網格索引(yin)（例如，使用偽隨機二進(jin)制點(dian)或2D顏色(se)編碼的(de)(de)(de)點(dian)陣列）等。除了這些方(fang)法之(zhi)外，還有混合(he)方(fang)法，它們結合(he)了多種(zhong)(zhong)(zhong)方(fang)法來優化特定表(biao)面(mian)或目標(biao)的(de)(de)(de)結果。關于(yu)各種(zhong)(zhong)(zhong)方(fang)法的(de)(de)(de)詳細(xi)討論超出(chu)了本文(wen)的(de)(de)(de)范圍。為了便(bian)于(yu)討論，本文(wen)僅(jin)詳細(xi)介紹相移(yi)方(fang)法。

什么是相移

相(xiang)移(yi)方法利(li)用(yong)一組灰(hui)度圖(tu)像(xiang)(xiang)，其像(xiang)(xiang)素(su)強度由正弦波(bo)模(mo)式定義(yi)，如圖(tu)2所示。通(tong)常，使用(yong)三個(ge)（或可能更多）圖(tu)像(xiang)(xiang)之間(jian)具有已知相(xiang)移(yi)的(de)圖(tu)像(xiang)(xiang)。將相(xiang)移(yi)后的(de)圖(tu)案(an)順序投影到(dao)對(dui)(dui)象上，然后在(zai)進(jin)行相(xiang)位(wei)展(zhan)開操作之后，將所得的(de)差異圖(tu)像(xiang)(xiang)與(yu)參考平面進(jin)行比較，以提取原始對(dui)(dui)象的(de)表面特(te)征。

圖2：用于(yu)相移(yi)結(jie)構光(guang)投(tou)影的(de)3種(zhong)正弦波模式圖像之(zhi)一。

相移示例

現(xian)在，讓我們將“相(xiang)移(yi)”方法應(ying)用于一(yi)個假設(she)的示例。假設(she)我們要繪制一(yi)個塑料球的3D表面，如圖3所示。

圖3：掃描目標：一個塑料球。

如圖4所示(shi)，以(yi)(yi)圖像之(zhi)間的已(yi)知相移來準備(bei)投影圖案圖像（請注意，通常(chang)使(shi)用3張或更多張圖像。此(ci)處僅(jin)示(shi)出了2張，以(yi)(yi)節省空(kong)間）。

圖4：相移投影圖案

在構造了投影圖(tu)案之后(hou)，將圖(tu)案順序地投影到對象上(shang)，并捕(bu)獲圖(tu)像(xiang)。展開后(hou)，可(ke)以重(zhong)建3D表面貼圖(tu)，如圖(tu)5所示。

圖5：相移(yi)的投(tou)影和生成(cheng)的3D構(gou)造。

您可能會(hui)注意到(dao)，在圖5的(de)(de)(de)右側僅重建了(le)(le)球體(ti)(ti)的(de)(de)(de)前半(ban)部(bu)分（或“上半(ban)部(bu)分”）。對于這個(ge)(ge)假設(she)的(de)(de)(de)示例，我們假設(she)沒有(you)移動攝像(xiang)機。重要的(de)(de)(de)是要了(le)(le)解結構光成像(xiang)通常不用于測量(liang)體(ti)(ti)積(ji)密度（例如醫學成像(xiang)中(zhong)(zhong)使(shi)用的(de)(de)(de)MRI或CT掃描）。它更(geng)多地(di)是一(yi)(yi)種“表(biao)(biao)面(mian)映射”方(fang)法(fa)(fa)，因(yin)為它照亮了(le)(le)一(yi)(yi)個(ge)(ge)表(biao)(biao)面(mian)，并映射了(le)(le)該表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)形貌變化而不是物(wu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)體(ti)(ti)積(ji)。從(cong)平(ping)(ping)面(mian)作為參考開始(shi)，此方(fang)法(fa)(fa)測量(liang)從(cong)該參考平(ping)(ping)面(mian)開始(shi)的(de)(de)(de)偏(pian)轉。即使(shi)此方(fang)法(fa)(fa)只(zhi)能在任(ren)何給定(ding)的(de)(de)(de)2D視圖中(zhong)(zhong)捕獲(huo)單個(ge)(ge)平(ping)(ping)面(mian)的(de)(de)(de)偏(pian)轉，也(ye)可以通過(guo)將(jiang)目標(biao)旋轉360°并捕獲(huo)覆蓋其整(zheng)個(ge)(ge)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)多個(ge)(ge)表(biao)(biao)面(mian)貼圖來(lai)組裝目標(biao)整(zheng)個(ge)(ge)3D表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)3D網(wang)格(ge)。

結構光成像通常用于機器視覺，因為它可以產(chan)生高(gao)分辨率(lv)結果(guo)。某些方法可以有效地(di)用(yong)于中速和(he)高(gao)速應用(yong)。它允許同時采集多個樣(yang)本，并可用(yong)于滿(man)足廣泛或實際的挑戰。