结构光成像通常用于机器视觉，因为它可以产生高分辨率的结果。其中一些方法可在中高速应用中有效使用。gydF4y2Ba
什么是结构光成像?gydF4y2Ba
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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限制了我们对周围世界的感知和理解。我们生活在一个三维世界，许多应用领域都可以从三维意识中受益。gydF4y2Ba
我们的“立体”眼睛和认知处理能力为我们提供了三维意识，但立体视觉并不是提取三维信息的唯一方式。几种不同的3D方法已经被开发出来并应用于机器视觉。一种正在迅速普及(和实用)的方法是结构光成像。gydF4y2Ba
结构光成像gydF4y2Ba
结构光成像利用特定的(通常是调制的)光模式和2D成像相机捕捉表面的三维地形。一个著名的结构光系统的例子是微软的Kinect。Kinect最初是为游戏和消费类电子产品而开发的，现在它和其他使用类似技术的系统正逐渐进入广泛的实际应用领域。gydF4y2Ba
概念很简单:将已知图案投影到表面上。当相机从一个(或多个)不同的角度观察图案时，目标的表面特征会扭曲图案，如图1所示。利用模式畸变的方向和大小来重建目标物体的表面形貌。gydF4y2Ba
图1:一个规则的条纹图案被投射到球上。球的圆形表面扭曲了条纹，扭曲的图像被相机捕捉到，用于分析和物体重建。gydF4y2Ba
在图1所示的示例中，已经说明了常规正弦波强度模式。这种类型的模式通常用于相移顺序投影方法-只是已经开发的几种方法之一。其他包括连续变化的彩虹图案、灰度或彩色条纹索引、网格索引(例如，使用伪随机二进制点或2D彩色编码点数组)等等。除了这些方法，还有混合方法，结合多种方法来优化特定表面或目标的结果。gydF4y2Ba
关于各种各样的方法的详细讨论超出了本文的范围。为了便于讨论，我们将更详细地讨论相移方法。gydF4y2Ba
相移gydF4y2Ba
相移方法利用一组灰度图像，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，图像之间有已知的相移。将相移后的图像按顺序投影到目标上，经过相位展开操作后，将得到的差分图像与参考平面进行比较，提取原始目标的表面特征。gydF4y2Ba
图2:用于相移结构光投影的三种正弦波模式图像之一。gydF4y2Ba
相移示例gydF4y2Ba
图3:扫描目标——一个塑料球。gydF4y2Ba
现在，让我们将相移方法应用到一个假设的例子中。假设我们想要映射一个塑料球的3D表面，如图3所示。gydF4y2Ba
图4:相移投影模式。gydF4y2Ba
投影模式图像与图像之间的已知相移准备，如图4所示。(注意通常使用3个或更多的图像。为了节省篇幅，这里只展示了两幅图。)gydF4y2Ba
在构建了投影模式之后，将模式按顺序投影到对象上，并捕获图像。展开后，可以重建3D曲面图，如图5所示。gydF4y2Ba
图5:相移投影和最终的3D结构。gydF4y2Ba
您可能会注意到，在图5的右侧，只重建了球体的前面(或“上”)一半。在这个假设的例子中，我们假设摄像机没有被移动。重要的是要理解结构光成像通常不用于测量体积密度(如用于医学成像的MRI或CT扫描)。它更像是一种“表面映射”方法，因为它照亮一个表面，并映射表面的地形变化，而不是物体的体积。这种方法从一个平面作为参考开始，测量从这个参考平面的偏转。尽管这种方法只能在任何给定的2D视图中捕获单个平面的偏转，但通过将目标旋转360°并捕获覆盖其整个表面的多个表面地图，可以组装目标整个3D表面的3D网格。gydF4y2Ba
如前所述，微软Kinect可能是应用最广泛的结构光系统。Kinect不是用条纹或几何图案，而是用投影的IR点图案和散光镜头(即X轴和Y轴的不同焦距)来解释物体距离。投影点图案的延伸度、方向和位移提供了深度线索，以及“焦点深度”和“立体深度”3D成像技术。Kinect是一个功能强大但价格实惠的2-D和3-D平台，提供1280 x 1024像素的分辨率，帧率为15帧/秒。gydF4y2Ba
结构光成像通常用于机器视觉，因为它可以产生高分辨率的结果。其中一些方法可在中高速应用中有效使用。它允许同时采集大量样本，并可用于满足广泛的或实际的挑战。gydF4y2Ba
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