光学知识——什么是结构光成像？

结构光成像

随着我们文明的集体需求变得越来越复杂，过去的二维成像方法已经给我们对周围世界的感知和理解造成了限制。我们生活在3D世界中，许多应用领域都可以从3D意识中受益。

我们的“立体”眼睛和认知处理能力建立起我们的三维意识，但是提取三维信息并不是只能通过立体视觉。目前我们已经开发了几种不同的3D方法并将其应用于机器视觉，其中一种迅速流行（和实用）的方法就是结构化光成像。

结构化光成像使用特定的（通常是调制的）光图案和2D成像相机来捕获表面的3D形貌。Photoneo是结构照明系统的一个典型示例，现已在工业上被广泛的实际应用。这个概念很简单：将已知的图案投影到表面上。当相机从一个（或多个）不同的角度查看图案时，目标的表面特征会使图案变形，如图1所示。图案变形的方向和大小用于重构目标对象的表面形貌。

图1：规则的条纹图案投射到球上。球的圆形表面使条纹变形，并且变形的图像被相机捕获以进行分析和对象重建。

在图1所示的示例中，已说明了规则的正弦波模式。这种类型的模式通常用于相移顺序投影方法，这只是已开发的几种方法之一。其他包括连续变化的彩虹图案，灰度或色带索引，网格索引（例如，使用伪随机二进制点或2D颜色编码的点阵列）等。除了这些方法之外，还有混合方法，它们结合了多种方法来优化特定表面或目标的结果。关于各种方法的详细讨论超出了本文的范围。为了便于讨论，本文仅详细介绍相移方法。

什么是相移

相移方法利用一组灰度图像，其像素强度由正弦波模式定义，如图2所示。通常，使用三个（或可能更多）图像之间具有已知相移的图像。将相移后的图案顺序投影到对象上，然后在进行相位展开操作之后，将所得的差异图像与参考平面进行比较，以提取原始对象的表面特征。

图2：用于相移结构光投影的3种正弦波模式图像之一。

相移示例

现在，让我们将“相移”方法应用于一个假设的示例。假设我们要绘制一个塑料球的3D表面，如图3所示。

图3：扫描目标：一个塑料球。

如图4所示，以图像之间的已知相移来准备投影图案图像（请注意，通常使用3张或更多张图像。此处仅示出了2张，以节省空间）。

图4：相移投影图案

在构造了投影图案之后，将图案顺序地投影到对象上，并捕获图像。展开后，可以重建3D表面贴图，如图5所示。

图5：相移的投影和生成的3D构造。

您可能会注意到，在图5的右侧仅重建了球体的前半部分（或“上半部分”）。对于这个假设的示例，我们假设没有移动摄像机。重要的是要了解结构光成像通常不用于测量体积密度（例如医学成像中使用的MRI或CT扫描）。它更多地是一种“表面映射”方法，因为它照亮了一个表面，并映射了该表面的形貌变化而不是物体的体积。从平面作为参考开始，此方法测量从该参考平面开始的偏转。即使此方法只能在任何给定的2D视图中捕获单个平面的偏转，也可以通过将目标旋转360°并捕获覆盖其整个表面的多个表面贴图来组装目标整个3D表面的3D网格。

结构光成像通常用于机器视觉，因为它可以产生高分辨率结果。某些方法可以有效地用于中速和高速应用。它允许同时采集多个样本，并可用于满足广泛或实际的挑战。