主动式光学三维成像技术

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1、万方数据第41卷．第10期2004年10月激光与光电子学进展V01．4l-No．100ct．2004主动式光学三维成像技术周海波任秋实李万荣(上海交通大学激光与光子生物医学研究所，上海200030)提要主动式光学三维成像技术具有非接触、快速、精确等特点，其主要成像方法可分为三角形测量法(包括结构光法和相位莫尔法)、基于被动式的主动式成像法和飞行时问测量法三种。分别介绍了这些方法的基本原理和特点，并在最后进行了总结和展望。关键词计算机视觉光学三维成像主动式成像三维重建、Activeoptical3DImagingTechniquesZHOUHajboRENQiushi

2、UW盯Irong(吼o￡o竹上Mom8砒c越仇s玩挑￡e，·‰g，狐喜以口o￡o咒9￡耽伽凹嘶留，S陀。咒g№t200030)AbstractActiveoptical3DinlagingtechIliquehasadvantagesofnoncontact、fastnessandprecision．IntIlispaper，thebasicp咖ciplesandcharacteristicsofsomeactjVeoptical3DiIIl咖gtechlliquesarerespectivelyintroducedwmcharedassinedastrian舭at

3、ion，a嘶evadantsofpassivetechniquesandrIⅪneofFlight．Conclusionande)币ecta—tionaremadeat协eend．Keywordscomputer啊sionoptical3DinlagingactiVeimaging3Dreconstnlction1引言三维成像由于能够提取物体的j维几何形状而备受关注。传统的二维成像方法在工业中已被广泛应用，但它不能提供场景中物体详尽的几何形状。在诸如工业产品加工和检测、国防航天以及医学等领域，都迫切需要一种有效的三维成像方法。光学三维成像法能通过光的反射或散射方便地

4、检测到目标的位置和形状。一般将光学三维成像技术分为被动式和主动式两大类，两者的区别在于是否引入专门的光源进行照明。前者虽然不需要专门的光源，而且对成像设备要求也不高，但是对没有明显特征的图像(如无明显的边缘、角点等)，计算量很日大，匹配的准确度也难以保证【l】。后者通过引入预定的光源，大大提高了成像的精度、准确度、速度和可靠性等，从而使得实用的三维精确成像成为可能。目前，已提出很多种基于主动式的成像法。2测量原理2．1三角形法(Trianglllation)2．1．1结构光测量法根据扫描方式不同，结构光法可分为光点式、光条式和光面式三种。光点式扫描只投射一个激光点到

5、目标表面，根据散射回的光线，利用简单的三角形原理算出被测点的位置。此法工作原理简单，但是要对目标逐点扫描，速度很慢。光条式是一次将一片光束投射到目标表面，每次可完成目标表面一个剖面的测量，提高了扫描速度。光面式则进一步提高了测量速度。可直接将一个或多个二维的平面光投射到目标。早期的光面式扫描由多个片状光束构成．也称多光条测量法，其原理和计算方法都类似于光条式。其最大的问题在于目标表面的不规则性，导致光条形状变化．多个光条交织在一起，从而难以标定成像图中的具体光条，其实质是图像上的点难以匹配到相应的投射光面上。目前，国内外已有多种方法进行匹配．其基本原理是利用投射器投

6、射一个或连续多个光模式到目标，用接收器(照相机)采集它们的图像。由于投射的光模式含有特定的编码策略或收稿日期：2004—05一14；收到修改稿日期：2004—07一10基金项目：上海市科学技术委员会(03Dzl4015)资助课题。作者简介：周海波，男，1979年生，2002年获得上海交通大学生物医学T程学士学位。现为上海交通大学激光与光子生物医学研究所的研究生。主要研究方向为光学三维成像及三维图像处理。E—man：haj2000@sjtu．edu．cn万方数据第41卷．第10期2004年10月激光与光电子学进展信息，因而目标图像上每一点都有相应的编码值，对采集到的图

7、像进行解码后可得到各点编码值，就能够确定该点在光面上的唯一位置。根据编码规则的不同，编码方法一般分为三类：时间编码法、空间邻域编码法和直接编码法。时问编码法是应用较早的一种方法。它利用投射器在一定时间内投射一系列光条形到目标，每个光条形平面内按光照强度的不同分为两个等级(黑和白)，见图1，这样当目标上的每一点在同一光条形照射下时，就能根据光强的不同形成一位编码值；当连续照射视个不同的光条形时，每一点就形成了一个视位的编码值[2．3】。这种方法分辨率较高，因为只要投射器能投射更细的条纹并且照相机能分辨，就能产生更高编码位，分辨出更多的条纹。另外值得注意的是，属于相