使用結(jié)構(gòu)光的3D掃描

隨著很多全新技術(shù)的涌現(xiàn)，人們越來越需要用3D方法來表示現(xiàn)實世界中的物體。特別是機器視覺和機器人技術(shù)，它們都得益于精確和自適應(yīng)的3D捕捉功能。其它針對3D掃描的應(yīng)用包括生物識別、安防、工業(yè)檢查、質(zhì)量控制、醫(yī)療、牙科和原型設(shè)計。

3D掃描是提取一個物體的表面和物理測量，并用數(shù)字的方式將其表示出來。這些數(shù)據(jù)被采集為一個由X，Y和Z坐標(biāo)(表示物體外部表面)組成的點云。對于一個3D掃描的分析可以確定被掃描物體的表面積、體積、表面形狀、外形和特征尺寸。

一個3D掃描儀需要一個探針來確定到物體表面上每一個點的距離。理論上，這個探針可以是一個觸覺(物理接觸)探針。然而，很多應(yīng)用需要非接觸式測量。只使用光照來探測感興趣物體的光學(xué)技術(shù)提出了針對這個問題的解決方案。其中一個方法至少采用2個攝像頭來提供立體感視覺技術(shù)，它對于計算的要求通常比較嚴(yán)格，并且對于環(huán)境光照條件很敏感。另外一個方法采用結(jié)構(gòu)照明圖形，它只需一個投影儀(用于生成光圖形)以及一個單攝像頭和計算能力中等的算法。

結(jié)構(gòu)光

結(jié)構(gòu)光是3D掃描的一個光學(xué)方法，它投射出一組用數(shù)學(xué)方法構(gòu)造的光圖形，按照一定順序照亮被測量的物體。一個到投影儀的距離已知的攝像頭同步捕捉一組被照亮物體的圖像。相對于用于校準(zhǔn)的平面基準(zhǔn)表面，攝像頭看到的圖形被經(jīng)掃描物體的表面形狀所扭曲。幾何三角剖分的原理使得計算被掃描物體表面上每個點的XYZ坐標(biāo)成為可能(見圖01)。然后，獲得的點云數(shù)據(jù)用于被掃描物體表面詳細(xì)3D模型的計算構(gòu)造。

圖01：使用DLP® 技術(shù)的結(jié)構(gòu)光

可編程圖形結(jié)構(gòu)光

可編程圖形掃描儀使用具有數(shù)字空間光調(diào)制器(SLM)的激光或LED光源將一系列圖形投射到物體表面上。通過使用多個圖形，一個可編程結(jié)構(gòu)光掃描儀能夠獲得更高的準(zhǔn)確性，并且能夠根據(jù)環(huán)境光照條件、物體表面，以及物體光反射特性來改變圖形。

由于可編程圖形結(jié)構(gòu)光需要顯示多個圖形，空間光調(diào)制器就成為此類掃描儀的一個關(guān)鍵組件。目前市面上有多項空間光調(diào)制技術(shù)，其中包括德州儀器(TI)DLP®技術(shù)，特別是DLP6500和DLP9000芯片組。

不同的結(jié)構(gòu)光掃描算法要求SLM能夠產(chǎn)生二級制或灰度圖形中的一種，或者能夠產(chǎn)生這兩種圖形。高對比度圖形有助于在處理不斷變化的物體反射率和環(huán)境光條件時盡可能提高準(zhǔn)確度和運轉(zhuǎn)可靠耐用性。由于尺寸、冷卻和電池要求，系統(tǒng)設(shè)計將光通量和能效視為重中之重。

目前有很多對3D結(jié)構(gòu)光圖形進行優(yōu)化的技術(shù)。其中一個特別有效的方法就是自適應(yīng)圖形集。算法確定了圖形與波長的最佳組合，以提高被掃描物體的分辨率。根據(jù)物體的顏色，可以選擇多變的顏色(光的波長)。自適應(yīng)圖形提高了對表面質(zhì)地復(fù)雜或者不連續(xù)的物體的掃描能力。

設(shè)計考慮

在設(shè)計可編程結(jié)構(gòu)光解決方案時，有幾個重要的設(shè)計注意事項。被測量物體的尺寸和距離以及3D測量所要求的空間精度決定了所需的空間光調(diào)制器和圖形捕捉攝像頭的性能特性。SLM分辨率(像素數(shù)量)和掃描場尺寸(像素/mm)決定了可實現(xiàn)的精度。攝像頭的分辨率必須足夠大，根據(jù)采樣定理，通常情況下，應(yīng)該至少為SLM像素密度的四倍。

掃描期間，任何的物體運動會使數(shù)據(jù)模糊不清，從而降低測量精度。為了實現(xiàn)所需的3D精度等級，物體運動的越快，就必須越快速地執(zhí)行一個完整掃描。越快的掃描需要更快速的空間光調(diào)制器和幀捕捉速率更高的攝像頭，而亮度更高的圖形照明也會對快速掃描有所幫助。在不同的3D測量系統(tǒng)中，也許需要從每秒數(shù)次到最高每秒數(shù)百次的圖形速率。

結(jié)論

機器和機器人視覺與其它3D應(yīng)用正在使智能機器的能力越來越強。3D掃描隨著全新技術(shù)和算法的發(fā)展不斷進步。隨著處理和傳感器功能的不斷增強，而它們的成本逐漸走低，這些全新技術(shù)使終端用戶有了更大的選擇空間。采用結(jié)構(gòu)光的主動、非接觸式3D掃描系統(tǒng)為用戶提供獨特的優(yōu)勢，不過必須根據(jù)特定的應(yīng)用需求對這些系統(tǒng)進行評估。