結構光成像

隨著我們文明的集體需求變得越來越復雜，過去的二維成像方法已經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，許多應用領域都可以從3D意識中受益。

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，其中一種迅速流行（和實用）的方法就是結構化光成像。

結構化光成像使用特定的（通常是調制的）光圖案和2D成像相機來捕獲表面的3D形貌。Photoneo是結構照明系統的一個典型示例，現已在工業上被廣泛的實際應用。這個概念很簡單：將已知的圖案投影到表面上。當相機從一個（或多個）不同的角度查看圖案時，目標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目標對象的表面形貌。

圖1：規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捕獲以進行分析和對象重建。

在圖1所示的示例中，已說明了規則的正弦波模式。這種類型的模式通常用于相移順序投影方法，這只是已開發的幾種方法之一。其他包括連續變化的彩虹圖案，灰度或色帶索引，網格索引（例如，使用偽隨機二進制點或2D顏色編碼的點陣列）等。除了這些方法之外，還有混合方法，它們結合了多種方法來優化特定表面或目標的結果。關于各種方法的詳細討論超出了本文的范圍。為了便于討論，本文僅詳細介紹相移方法。

什么是相移

相移方法利用一組灰度圖像，其像素強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，然后在進行相位展開操作之后，將所得的差異圖像與參考平面進行比較，以提取原始對象的表面特征。

圖2：用于相移結構光投影的3種正弦波模式圖像之一。

相移示例

現在，讓我們將“相移”方法應用于一個假設的示例。假設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：一個塑料球。

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

圖4：相移投影圖案

在構造了投影圖案之后，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構造。

您可能會注意到，在圖5的右側僅重建了球體的前半部分（或“上半部分”）。對于這個假設的示例，我們假設沒有移動攝像機。重要的是要了解結構光成像通常不用于測量體積密度（例如醫學成像中使用的MRI或CT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。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，也可以通過將目標旋轉360°并捕獲覆蓋其整個表面的多個表面貼圖來組裝目標整個3D表面的3D網格。

結構光成像通常用于機器視覺，因為它可以產生高分辨率結果。某些方法可以有效地用于中速和高速應用。它允許同時采集多個樣本，并可用于滿足廣泛或實際的挑戰。