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什么是結(jié)構(gòu)光成像

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  • 來源:光虎光電科技(天津)有限公司

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  • 發(fā)布時間:2021-03-08 08:52:13

什么是結(jié)構(gòu)光成像

1.為什么需要三維成像?

隨著我們文明的集體需求變得越來越復(fù)雜,過去的二維成像方法已經(jīng)給我們對周圍世界的感知和理解造成了限制。我們生活在3D世界中,許多應(yīng)用領(lǐng)域都可以從3D意識中受益。

我們的立體眼睛和認(rèn)知處理能力建立起我們的維意識,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(jīng)開發(fā)了幾種不同的3D方法并將其應(yīng)用于機(jī)器視覺,其中一種迅速流行(和實用)的方法是結(jié)構(gòu)化光成像。

2.結(jié)構(gòu)光成像是什么?

結(jié)構(gòu)化光成像使用特定的(通常是調(diào)制的)光圖案和2D成像相機(jī)來捕獲表面的3D形貌。Photoneo是結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)的一個典型示例,現(xiàn)已在工業(yè)上被廣泛的實際應(yīng)用。

這個概念很簡單:將已知的圖案投影到表面上。當(dāng)相機(jī)從一個(或多個)不同的角度查看圖案時,目標(biāo)的表面特征會使圖案變形,如圖1所示。圖案變形的方向和大小用于重構(gòu)目標(biāo)對象的表面形貌。

圖1:規(guī)則的條紋圖案投射到球上。球的圓形表面使條紋變形,并且變形的圖像被相機(jī)捕獲以進(jìn)行分析和對象重建。

在圖1所示的示例中,已說明了規(guī)則的正弦波模式。這種類型的模式通常用于相移順序投影方法,這只是已開發(fā)的幾種方法之一其他包括連續(xù)變化的彩虹圖案,灰度或色帶索引,網(wǎng)格索引(例如,使用偽隨機(jī)二進(jìn)制點或2D顏色編碼的點陣列)等。除了這些方法之外,還有混合方法,它們結(jié)合了多種方法來優(yōu)化特定表面或目標(biāo)的結(jié)果。

關(guān)于各種方法的詳細(xì)討論超出了本文的范圍。為了便于討論,本文僅詳細(xì)介紹相移方法。

3.什么是相移?

相移方法利用一組灰度圖像,其像素強(qiáng)度由正弦波模式定義,如圖2所示。通常,使用三個(或可能更多)圖像之間具有已知相移的圖像。將相移后的圖案順序投影到對象上,然后在進(jìn)行相位展開操作之后,將所得的差異圖像與參考平面進(jìn)行比較,以提取原始對象的表面特征。

圖2:用于相移結(jié)構(gòu)光投影的3種正弦波模式圖像之一

4.相移示例?

現(xiàn)在,讓我們將相移方法應(yīng)用于一個假設(shè)的示例。假設(shè)我們要繪制一個塑料球的3D表面,如圖3所示。

圖3:掃描目標(biāo)一個塑料球

如圖4所示,以圖像之間的已知相移來準(zhǔn)備投影圖案圖像(請注意,通常使用3張或更多張圖像。此處僅示出了2張,以節(jié)省空間)。

圖4:相移投影圖案。

在構(gòu)造了投影圖案之后,將圖案順序地投影到對象上,并捕獲圖像。展開后,可以重建3D表面貼圖,如圖5所示。

圖5:相移的投影和生成的3D構(gòu)造。

您可能會注意到,在圖5的右側(cè)僅重建了球體的前半部分(或上半部分)。對于這個假設(shè)的示例,我們假設(shè)沒有移動攝像機(jī)。重要的是要了解結(jié)構(gòu)光成像通常不用于測量體積密度(例如醫(yī)學(xué)成像中使用的MRICT掃描)。它更多地是一種表面映射方法,因為它照亮了一個表面,并映射了該表面的形貌變化而不是物體的體積。從平面作為參考開始,此方法測量從該參考平面開始的偏轉(zhuǎn)。即使此方法只能在任何給定的2D視圖中捕獲單個平面的偏轉(zhuǎn),也可以通過將目標(biāo)旋轉(zhuǎn)360°并捕獲覆蓋其整個表面的多個表面貼圖來組裝目標(biāo)整個3D表面的3D網(wǎng)格。

結(jié)構(gòu)光成像通常用于機(jī)器視覺,因為它可以產(chǎn)生高分辨率結(jié)果。某些方法可以有效地用于中速和高速應(yīng)用。它允許同時采集多個樣本,并可用于滿足廣泛或?qū)嶋H的挑戰(zhàn)。

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