常見(jiàn)的三維測(cè)量方法有哪些（結(jié)構(gòu)光編碼原理）

一、序言

在介紹結(jié)構(gòu)光編碼方案之前，先介紹一下目前常見(jiàn)的三維測(cè)量方法，從原理上來(lái)講分為以下幾類(lèi)：

大家可以看到，結(jié)構(gòu)光屬于主動(dòng)式光學(xué)測(cè)量的一類(lèi)，而常見(jiàn)的光學(xué)三維測(cè)量可以分為以下三類(lèi)，右邊是它們各自的原理圖：

二、結(jié)構(gòu)光分類(lèi)

接下來(lái)進(jìn)入主題，正式介紹結(jié)構(gòu)光編碼方案。結(jié)構(gòu)光三維重建按照所投影的圖案一般可以分為以下三類(lèi)，點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面結(jié)構(gòu)光，其中面結(jié)構(gòu)光按照編碼原理又可以基于時(shí)域編碼的結(jié)構(gòu)光和基于空域編碼的結(jié)構(gòu)光。

1、點(diǎn)結(jié)構(gòu)光

其光源一般是激光器，測(cè)量時(shí)將光束投射到被測(cè)物表面形成光點(diǎn)，相機(jī)拍攝被測(cè)物圖像，如下圖所示，之后通過(guò)空間三角關(guān)系獲得被測(cè)物光點(diǎn)照射位置的三維坐標(biāo)。

優(yōu)點(diǎn)：逐點(diǎn)掃描被測(cè)物表面，每個(gè)點(diǎn)都要采集一張圖片，可以獲取較高密度的點(diǎn)云，精度最高。

缺點(diǎn)：需要采集大量的圖片，導(dǎo)致效率低下。

2、線結(jié)構(gòu)光

線結(jié)構(gòu)光是對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)光的擴(kuò)充改進(jìn)，它將掃描點(diǎn)變成掃描線，測(cè)量時(shí)激光器發(fā)出的光線以一條線的形式掃描被測(cè)物表面，之后還是用相機(jī)采集掃描的圖片，通過(guò)空間三角關(guān)系獲得被測(cè)物光點(diǎn)照射位置的三維坐標(biāo)。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)比點(diǎn)結(jié)構(gòu)光方法，只需進(jìn)行一維掃描就可獲得物體的深度，簡(jiǎn)化了點(diǎn)結(jié)構(gòu)光的復(fù)雜度。

缺點(diǎn)：效率較低。

3、面結(jié)構(gòu)光

面結(jié)構(gòu)光也叫編碼結(jié)構(gòu)光，典型的硬件組成由投影儀—相機(jī)對(duì)表示，如下圖所示。投影儀將編碼圖案投射到被測(cè)物表面，然后由相機(jī)進(jìn)行同步采集。其基本原理是投射的編碼圖案經(jīng)過(guò)被測(cè)物表面調(diào)制，此時(shí)物體表面的高低信息便儲(chǔ)存在了調(diào)制后的編碼圖案中，然后用相機(jī)從一個(gè)或多個(gè)角度采集這些變形的圖案，找到相機(jī)和投影儀像素之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，利用三角法原理求出被測(cè)物表面的三維坐標(biāo)。

按照不同的編碼方法，面結(jié)構(gòu)光可以分為多類(lèi)：

A、時(shí)域編碼

時(shí)域編碼是一種常用的編碼策略，該方法將一系列的簡(jiǎn)單圖案按時(shí)間先后順序投影到被測(cè)物表面，一個(gè)給定像素的編碼就是該位置在時(shí)間上隨投影圖案的明暗變化。

優(yōu)點(diǎn)：這種編碼方案在三維測(cè)量上有很高的測(cè)量精度，且易于在工程上實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：速度較慢，無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)重建。

接下來(lái)介紹幾種常見(jiàn)的時(shí)域編碼：

① Binary Code (二進(jìn)制編碼)

二進(jìn)制編碼使用黑白條紋形成一系列投影圖案，這樣物體表面上的每個(gè)點(diǎn)都擁有一個(gè)獨(dú)特的二進(jìn)制代碼。N個(gè)圖案可以編碼2?個(gè)條紋。

優(yōu)點(diǎn)：精度比較高，對(duì)表面特征不太敏感，因?yàn)樗邢袼刂兄淮嬖诙M(jìn)制值。

缺點(diǎn)：為了獲得高的空間分辨率，需要投影大量的序列圖案，而且場(chǎng)景中的所有對(duì)象都必須保持靜止，級(jí)數(shù)較高的二進(jìn)制碼圖片條紋密集，解碼容易出錯(cuò)。

② Gray Code (格雷碼)

格雷碼是二進(jìn)制碼的一種改進(jìn)，它的任意倆個(gè)相鄰代碼只有一位二進(jìn)制數(shù)不同，最大數(shù)和最小數(shù)之間也僅有一位數(shù)不同即“首尾相連”，又稱(chēng)“循環(huán)碼”。

優(yōu)點(diǎn)：精度高，相鄰狀態(tài)變換是僅有一位發(fā)生改變，魯棒性好。

缺點(diǎn)：速度慢，無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)

③ Phase Shift (相移碼)

投影多幅具有相位差的結(jié)構(gòu)光圖像來(lái)獲得相位信息，常見(jiàn)的幾種算法有三步相移法、四步相移法和五步相移法。編碼圖案的強(qiáng)度按照正弦函數(shù)分布，沿平行于編碼軸的線的每個(gè)點(diǎn)都可以用唯一的相位值來(lái)表征。任何非平面3D形狀都會(huì)導(dǎo)致記錄的圖案相對(duì)于投影圖案發(fā)生變形，并記錄為相位偏差，此相位偏差可以提供被測(cè)物體的形狀信息。

優(yōu)點(diǎn)：速度較快，三步相移法只需要投影三幅圖片即可，測(cè)量精度也較高。

缺點(diǎn)：投影的非線性問(wèn)題、包裹相位展開(kāi)問(wèn)題、相位誤差補(bǔ)償問(wèn)題。

④ Hybrid：Phase Shift + Gray Code (相移+格雷碼)

格雷碼和相移碼可以混合使用，利用各自的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行更好的編碼解碼方案。

優(yōu)點(diǎn)：格雷碼在沒(méi)有任何模糊性的情況下確定相位的絕對(duì)范圍，而相移提供的亞像素分辨率超過(guò)了格雷碼提供的條紋數(shù)。

缺點(diǎn)：混合方法需要更多的投影，并且不適合動(dòng)態(tài)對(duì)象的三維成像。

B、空域編碼

空域編碼和時(shí)域編碼最顯而易見(jiàn)的不同就是時(shí)域編碼需要投射多幅圖案而空域編碼只需投射一幅圖案。唯一的編碼圖案中每點(diǎn)的碼字從該點(diǎn)周?chē)c(diǎn)提供的信息（例如像素值、幾何形狀等）中得到。

優(yōu)點(diǎn)：該編碼方法在測(cè)量過(guò)程中只投影和采集一幅圖像，計(jì)算量比時(shí)域編碼方法顯著降低，可用于實(shí)時(shí)的三維場(chǎng)景測(cè)量。

缺點(diǎn)：空域編碼分辨率不高，且在解碼階段會(huì)有空間臨近點(diǎn)的信息丟失，最終計(jì)算得到的的場(chǎng)景三維點(diǎn)與時(shí)域編碼相比精度較低。

接下來(lái)介紹幾種常見(jiàn)的空域編碼：

① One-shot method based on point-pattern

使用單個(gè)點(diǎn)或一組點(diǎn)來(lái)解決相機(jī)和投影儀之間的對(duì)應(yīng)問(wèn)題。有了足夠多的點(diǎn)，就可以魯棒地測(cè)量物體的三維形狀。

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、高效、精度高、抗外界光干擾強(qiáng)。

缺點(diǎn)：重建分辨率低，具體應(yīng)用通常需要特定的圖像處理方法。

② One-shot method based on line-pattern：

使用一組線條或條紋來(lái)解決相機(jī)和投影儀之間的對(duì)應(yīng)問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)圖案中的所有線條都是平行的，深度是通過(guò)相機(jī)和投影儀之間的線對(duì)線三角測(cè)量計(jì)算的。

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、高效、精度高、分辨率相對(duì)較高、抗外部光干擾能力強(qiáng)

缺點(diǎn)：特定的應(yīng)用通常需要特定的圖像處理方法。

③ One-shot method based on crossed-line-pattern

使用一組交叉線或交叉條紋來(lái)解決相機(jī)和投影儀之間的對(duì)應(yīng)問(wèn)題。通常，交叉線圖案的水平線和垂直線采用不同的顏色，以便于識(shí)別線。設(shè)計(jì)圖案中相同顏色的所有線條都是平行的，深度是通過(guò)相機(jī)和投影儀之間的水平線到水平線三角測(cè)量和垂直線到垂直線三角測(cè)量計(jì)算的。

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、高效、精度高、分辨率相對(duì)較高、抗外部光干擾能力強(qiáng)

缺點(diǎn)：特定的應(yīng)用通常需要特定的圖像處理方法。

三、補(bǔ)充：

Light coding method

光編碼可以被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)光的一種演變，它使用隨機(jī)散斑代替精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)光圖案，通過(guò)相機(jī)和散斑投影儀之間的三角測(cè)量來(lái)計(jì)算深度。下圖顯示了通過(guò)三角測(cè)量進(jìn)行深度計(jì)算的原理，基線b 、到參考面Z0的距離、紅外攝像機(jī)的焦距f以及攝像機(jī)坐標(biāo)觀察到的視差d均通過(guò)標(biāo)定確定。然后，深度Z k 計(jì)算為：

激光束投射到擴(kuò)散表面后，衍射斑隨機(jī)形成。這些衍射點(diǎn)是高度隨機(jī)的，并且隨著距離的變化而改變圖案。在三維空間中，不同位置的圖案總是不同的。產(chǎn)生的散斑圖案取決于激光的波長(zhǎng)、激光束的大小以及擴(kuò)散面與觀察面之間的距離。下圖顯示了Kinect v1和其它文獻(xiàn)中分別產(chǎn)生的兩種不同散斑圖案。由于散斑圖案的高度隨機(jī)性，其圖像處理精度遠(yuǎn)低于處理精心設(shè)計(jì)的圖案，因?yàn)榫_的數(shù)學(xué)模型可用于已知形狀的圖案。與其他結(jié)構(gòu)光方法相比，光編碼方法的測(cè)量精度要低得多。與其他方法相比，它具有成本低、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。