结构光法：原理简介与应用分析

结构光法是20世纪80年代发展起来的直接获取三维图像的方法，其基本思想是利用结构光投影的几何信息来求得物体的三维信息，通过向物体投射各种结构光，如点、单线、多线、单圆、网格、颜色编码条纹等，在物体上形成图案并由相机摄取，而后由图像根据三角法和传感器结构参数进行计算，得到物体表面的三维坐标值。如图5.28所示，结构光三维重构方法也是基于三角法基本原理，目标物（被测物体）、投影点、观测点在空间成三角关系。当基准光栅条纹投射到目标物表面时，由于物体表面凹凸不平，条纹发生了畸变，这种畸变是由于投影的光栅条纹受物体表面形状调制所致，因此它包含了物体表面形状的三维信息。只要能建立起反映畸变条纹与物体表面形状之间对应关系的数学模型，就可以从畸变后的条纹信息推断出物体表面形状的三维信息。

图5.28　结构光波法原理图

由以上原理可知，系统必须包括以下功能：向被测物体投射结构光图案；读入被测物体图像数据；分析读入的图像，结合其他测量参数，计算出物体外形参数。其总流程图如图5.29所示。

图5.29　结构光波法总体流程图

用结构光法实现的物体三维重构在对物体表面轮廓测量中占有重要地位。它以大量程、大视场、较高精度及条纹信息提取简单等优点，在计算机辅助设计与制造、机器人视觉及工业检测等领域有广泛的应用前景。

结构光三维重构方法是以三角法原理为基础的，是目前发展较为成熟、应用较为广泛的一种方法。可分为点结构光法、线结构光法、多线结构光法、编码结构光法和彩色结构光法等等。

1.点结构光法

点结构光法在结构上与简单三角法相似。不过点结构光法的接收方向是不可变的。当实现光栅式平面扫描时，光源和探测是同步移动的。单束激光打在物体表面，由相机摄取其反射光点。物体表面每个点的x，y 坐标由物体图像每一像素的位置确定，z 坐标值则根据三角原理算出，其原理如图5.30所示。

图5.30　点结构光波法原理图

这种方法的优点是设备相对简单、检测速度快、传感器参数求解方便等。其缺点为每幅图像中存储的信息量少、表面变化较大时整体效率低。现实应用中，多以后面叙述的快速扫描法为主。

2.线结构光法(www.xing528.com)

单束激光方法每次仅能处理一点，因而速度较慢。为了加快扫描速度可使用线状光源，即线结构光法，利用三角原理同时处理一个截面上所有的点，从而使测量速度大大加快。线结构光法根据应用还可分为光条法、光带法和光切法等。

线激光测量系统一般由相机、结构光源（激光器）、移动平台、图像采集及处理系统构成。由激光器投射出的光线在目标物体表面形成一条明亮光纹，当物体表面有高度或深度信息变化时，形成的激光条纹会发生变形。相机将激光条纹拍摄成二维图像，利用图像处理软件系统对光条纹图像进行预处理后，通过光条纹中心提取算法提取二维图像中激光条纹的中心坐标，利用相机和激光器在世界坐标系下的空间方向、不同坐标系的转换关系及位置参数等，计算出光条纹在世界坐标系下的实际坐标，即被测目标物体在实际中的三维信息。其基本原理图5.31所示。

图5.31　线结构光测量原理图

从线结构光扫描物体面过程中光源有无相对移动来划分，扫描系统可以分为两种方式。

（1）主动扫描测量方式：相机和目标物体的位置保持相对不变，电机驱动线结构光光源对目标物体进行移动扫描。结构光源射出的光面完成对目标物体表面轮廓的测量，相机记录整个扫描过程的成像。主动扫描测量方式中，世界坐标、图像坐标、摄像机坐标的变化较为复杂，因为随着结构光源位置的变化，其光平面也在不断变化，它必须要使每一个光平面都确定一个坐标系，扫描结束后再统一到一个世界坐标系下，复杂度增加。

（2）被动扫描测量方式：相机和结构光光源的位置保持相对不变，利用电机控制两者以一定速度扫描目标物体表面，以此完成目标物体与相机之间的相对移动，相机记录整个扫描过程的成像。因为只需完成一个光平面的标定即可，世界坐标、图像坐标、摄像机坐标相对于主动扫描测量方式的标定过程相对简单。

3.多线结构光法

多线结构光法是在线结构光法的基础上，为了进一步提高图像处理效率，在一幅图像内处理多条条纹。为了实现物体表面全覆盖，希望在视场内形成多条条纹，以获得表面的三维深度，这就是所谓的“光栅结构光法”。多条条纹可采用标准幻灯投影机投影一光栅图样产生，也可借用激光扫描器来实现。

4.编码结构光法

编码结构光法是在多线结构光法的基础上，为了区分出投影在物体表面的每条条纹的序数而进行的一种对条纹编码的方法。编码法分为时间编码法、空间编码法和直接编码法。通过将多个不同的编码图案按时序先后投射到物体表面，得到相应的编码图像序列，将编码图像序列组合起来进行解码，得到投影在物体表面的每条条纹的序数，进而得到每条条纹所对应的物点上的光线投射角，再由结构光法基本公式得到物体的三维坐标。

5.彩色结构光法

彩色结构光法是以颜色作为物体三维信息的加载和传递工具，以彩色相机作为图像获取器件，通过计算机软件处理，对颜色信息进行分析、解码，最终获取物体的三维面形数据。