【編者按】隨著很多全新技術的涌現(xiàn)异瞭，人們越來越需要用3D方法來表示現(xiàn)實世界中的物體裹五。特別是機器視覺和機器人技術，它們都得益于精確和自適應的3D捕捉功能睛宝。

隨著很多全新技術的涌現(xiàn)捅县，人們越來越需要用3D方法來表示現(xiàn)實世界中的物體。特別是機器視覺和機器人技術酬楚，它們都得益于精確和自適應的3D捕捉功能猪晰。其它針對3D掃描的應用包括生物識別、安防彪珠、工業(yè)檢查质法、質量控制、醫(yī)療浸船、牙科和原型設計妄迁。

3D掃描是提取一個物體的表面和物理測量，并用數(shù)字的方式將其表示出來李命。這些數(shù)據(jù)被采集為一個由X登淘，Y和Z坐標(表示物體外部表面)組成的點云箫老。對于一個3D掃描的分析可以確定被掃描物體的表面積、體積黔州、表面形狀耍鬓、外形和特征尺寸。

一個3D掃描儀需要一個探針來確定到物體表面上每一個點的距離流妻。理論上牲蜀，這個探針可以是一個觸覺(物理接觸)探針。然而绅这，很多應用需要非接觸式測量涣达。只使用光照來探測感興趣物體的光學技術提出了針對這個問題的解決方案。其中一個方法至少采用2個攝像頭來提供立體感視覺技術证薇，它對于計算的要求通常比較嚴格度苔，并且對于環(huán)境光照條件很敏感。另外一個方法采用結構照明圖形猬肖，它只需一個投影儀(用于生成光圖形)以及一個單攝像頭和計算能力中等的算法余窖。

結構光

結構光是3D掃描的一個光學方法，它投射出一組用數(shù)學方法構造的光圖形函以，按照一定順序照亮被測量的物體森片。一個到投影儀的距離已知的攝像頭同步捕捉一組被照亮物體的圖像。相對于用于校準的平面基準表面轨畏，攝像頭看到的圖形被經(jīng)掃描物體的表面形狀所扭曲屋迄。幾何三角剖分的原理使得計算被掃描物體表面上每個點的XYZ坐標成為可能(見圖01)。然后易仍，獲得的點云數(shù)據(jù)用于被掃描物體表面詳細3D模型的計算構造答海。

可編程圖形結構光

可編程圖形掃描儀使用具有數(shù)字空間光調制器(SLM)的激光或LED光源將一系列圖形投射到物體表面上。通過使用多個圖形绵盔，一個可編程結構光掃描儀能夠獲得更高的準確性壁万，并且能夠根據(jù)環(huán)境光照條件、物體表面璃璧，以及物體光反射特性來改變圖形荔鸵。

由于可編程圖形結構光需要顯示多個圖形，空間光調制器就成為此類掃描儀的一個關鍵組件踊跟。目前市面上有多項空間光調制技術踩验，其中包括德州儀器(TI)DLP?技術，特別是DLP6500和DLP9000芯片組商玫。

不同的結構光掃描算法要求SLM能夠產(chǎn)生二級制或灰度圖形中的一種箕憾，或者能夠產(chǎn)生這兩種圖形。高對比度圖形有助于在處理不斷變化的物體反射率和環(huán)境光條件時盡可能提高準確度和運轉可靠耐用性。由于尺寸袭异、冷卻和電池要求钠龙，系統(tǒng)設計將光通量和能效視為重中之重。

目前有很多對3D結構光圖形進行優(yōu)化的技術御铃。其中一個特別有效的方法就是自適應圖形集碴里。算法確定了圖形與波長的最佳組合，以提高被掃描物體的分辨率上真。根據(jù)物體的顏色咬腋，可以選擇多變的顏色(光的波長)。自適應圖形提高了對表面質地復雜或者不連續(xù)的物體的掃描能力睡互。

設計考慮

在設計可編程結構光解決方案時帝火，有幾個重要的設計注意事項。被測量物體的尺寸和距離以及3D測量所要求的空間精度決定了所需的空間光調制器和圖形捕捉攝像頭的性能特性脯黎。SLM分辨率(像素數(shù)量)和掃描場尺寸(像素/mm)決定了可實現(xiàn)的精度。攝像頭的分辨率必須足夠大忆帐，根據(jù)采樣定理兵正，通常情況下，應該至少為SLM像素密度的四倍梢纫。

掃描期間窖硝，任何的物體運動會使數(shù)據(jù)模糊不清，從而降低測量精度汤浊。為了實現(xiàn)所需的3D精度等級邓晃，物體運動的越快，就必須越快速地執(zhí)行一個完整掃描砚皆。越快的掃描需要更快速的空間光調制器和幀捕捉速率更高的攝像頭纤票，而亮度更高的圖形照明也會對快速掃描有所幫助。在不同的3D測量系統(tǒng)中旦良，也許需要從每秒數(shù)次到最高每秒數(shù)百次的圖形速率猪攀。

結論

機器和機器人視覺與其它3D應用正在使智能機器的能力越來越強。3D掃描隨著全新技術和算法的發(fā)展不斷進步侵俗。隨著處理和傳感器功能的不斷增強锨用，而它們的成本逐漸走低，這些全新技術使終端用戶有了更大的選擇空間隘谣。采用結構光的主動增拥、非接觸式3D掃描系統(tǒng)為用戶提供獨特的優(yōu)勢，不過必須根據(jù)特定的應用需求對這些系統(tǒng)進行評估寻歧。

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