结构光三维测量与点云配准的分析

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1、2结构光三维测量及点云数据配准研究式测量，使测量技术进入了一个新时期，特别是基于视觉的非接触式三维测量技术，已成为各国研究的热点，它弥补了接触式测量的不足，虽然测量精度不能与接触式测量相比，但是随着计算机与微电子技术的进步，这一问题也正在得到解决。目前，国内外光学非接触式三维测量技术已经得到了快速的发展，产生了多种基于各种测量原理的测量方法。1．飞行时间测量法飞行时间测量法可以分为脉冲测距法和相位差测距法。脉冲测距法是由测量仪器发出一个短脉冲信号，该信号由被测物体反射返回，在经过了两倍的被测距离后被传感器接收。通过测量同一脉冲信号从发射到接收的

2、时间间隔f，即可算得被测距离值L=ct／2，c是光速。相位差测距法是测距仪对激光进行调制，通过测量调制光波往返被测物体一次所产生的相位延迟来确定被测距离的。2．立体视差法立体视差法n1的基本原理是通过摄像机在不同角度对同一物体拍摄多幅图像，根据三角测量原理，利用图像中对应点的视差计算出视野范围内目标表面的立体信息。一个完整的立体视觉系统通常可分为图像获取、摄像机定标、特征提取、立体匹配、深度确定及内插等六个大部分。3．编码光法和莫尔干涉条纹法这种方法的测量原理与结构光法近似，在经过时间、空间、彩色编码的光源的帮助下来确定物体表面的空间位置乜H们

3、。光线通过一光栅投射到景物表面，其反射光回到光栅处与新的发射光产生干涉，在接收器上出现莫尔条纹。所谓莫尔条纹是两束光在传播路径中发生干涉的时候，在物体表面的黑白相间的等距线，对等距线图像进行梯度运算，进而计算出距离。莫尔条纹技术在检测平滑条纹距离时有良好的效果。4．激光散斑图像采集法激光雷达成像，即散斑图形采样，是利用平面光场与物体三维傅立叶变换的二维散斑图像相对应的原理实现物体的三维测量，而另一维信息可以通过改变激光的波长来获取。以各个不同波长的激光，使用CCD(ChargeCoupledDevice)阵列可以测量斑纹图像。将各帧综合起来，可

4、以产生一个三维数据阵列，对这种三维数据阵列进行三维傅立叶变换便可获取物体的三维形状。5．结构光法结构光测距是一种利用图像处理技术和可控光源设备进行测距的技术，其基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取景物中的几何信息n儿射。这种方法将在下一节中主要阐述。第一章绪论31．2．2结构光技术原理结构光三维测量技术是一种主动式三角测量技术。它以激光三角法为理论基础，融合了影像技术和图像处理技术，其基本原理是：由激光投射器投射可控制的光点、光条或光面到物体表面形成特征点，并由CCD摄像机拍摄图像，得到特征点的投射角，然后根据标定出的空间方向、位置参数，

5、利用三角法测量原理计算特征点与CCD摄像机镜头主点之间的距离。结构光三维测量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。它可分为点结构光法、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。点结构光法是简单的三角法，它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，由摄像机摄取其反射光点。线结构光法呻1就是通过投射源投射出平面狭缝光，每次投射一个结构光条纹，每幅图像可得到一个截面的深度，通过改变投射狭缝光的角度，获得更多截面的深度，进而获得物体的深度信息。多线结构光

6、法是在线结构光法的基础上，为了提高图像处理效率，在一幅图像内处理多条光条纹。编码结构光法是在多线结构光法的基础上，为了解决多条纹图像中，不同条纹的定位和匹配问题而形成的方法。1．2．3结构光技术的发展这种技术在70年代初由Will和Pennington首先提出的，起初只涉及点扫描情况。随后，Popplestone、Agin和Binford等人将点光源扩展成光带投射到物体表面，并从光带的变形中提取物体表面轮廓信息。80年代初，Potmesil、Tio和McPherson等人分别采用激光或白光作为投射光源，形成点、线或光栅的投影，再用摄像机摄取投射

7、在物体上光线的漫反射光，通过三角形相似关系得到物体的深度。80年代中后期，该方法有了进一步的发展，在测量系统标定上有了较大进步，特别是Tsai在文献中提出的两步法标定，取得了公认的成绩，使该方法进入实用阶段。目前，越来越多的研究人员开始采用编码结构光方法和彩色结构光方法实现三维重构。国外研究人员在这方面不但做了大量的理论研究，而且许多研究成果己应用于生产实际之中，法国的J．M．Lequellec和ELerasle研制的一种结构光传感器，己用于汽车舱的三维重建。美国一家公司研制生产的一种彩色结构光传感器，简称CSL，己用于表面凹痕检测，高度测量，

8、焊料粘贴厚度测量等等。天津大学的精密测试技术及仪器国家重点实验室首先研制了线结构光轮廓传感器。清华大学研制一种基于线结构光的多用途传感器，特别适合于对