视觉测量技术-投影模式及优点

2023-11-24 理论教育版权反馈

【摘要】：图6.7 光条投影示意图利用该方法确定物点三维信息的优点是明显的。图6.9 灰度编码模式光投影法如图6.9所示，在投影仪光源的前方放置一个掩膜。

1.光点投影法

如图6.6所示，考虑有投影仪沿（x_p，y_p）方向投射一线状光束到待测物体上的情形。此时，若用摄像机从另一方向对待测物体进行观测，将会发现在待测物体被照射到的地方照射前后的图像灰度将有一个明显的差别。即被照射处照射后的图像灰度将变亮，相比之下其他地方照射前后的图像灰度则变化甚微。因此，若将照射后的观测图像同照射前的观测图像相减，则在被照射处其图像灰度的差值将为一大的正数，而在其他地方其差值的绝对值则近乎为零。这样，通过一个简单的阈值操作可从观测图像上将由上述线状光束（可理想化为空间中的一条直线）在物体表面上形成的光点（对应于物点）所对应的像点（可理想化为一个点）抽取出来。显然，由透视变换关系可知，连接上述物点和像点的直线即为对应于像点的视线。由于所投影的线状光束和光点之间的对应关系是已知的，故由处于空间中同一平面上的两条非平行直线可惟一地确定该平面上的一点，待求物点的三维位置信息可由上述投影光束所确定的直线和对应于像点的视线在空间中的交点所给出。

图6.6 光点投影示意图

利用该方法确定物点三维信息的方法的优点是处理简单、可靠，缺点是需要用光点对待测物体进行二维扫描，以逐点得到整幅图像上各像点所对应的物点的三维信息。由于该方法为了检测出图像中的一个光点以得到该点所对应的测量数据，需对整幅图像进行处理，导致测量时间过长，不能满足某些对实时性要求高的应用需求。此时，可以考虑采用在待测物体上投影点阵光以实现快速测量。但是，作为代价要再度面临所谓求对应的老问题。

光点投影法中所使用的投影仪一般可由具有二维扫描机能的点激光源所充任。

2.光条投影法

该方法是光点投影法的一个扩张，如图6.7所示，考虑由投影仪沿x_p所定义的狭缝方向将在空间中呈平面状分布的光投射到待测物体上的情形。此时，若用摄像机从另一个方向对待测物体进行观测，将会发现和前述投影线状光的情形一样，在被照射处照射前后的图像灰度将有一个明显的差别，即被照射处的图像灰度将变亮。相比之下，其他地方照射前后的图像灰度则变化很小。因此，若将照射后的观测图像同照射前的观测图像相减，则被照射处的图像灰度的差值将是一个很大的正数，而在其他部分的差值的绝对值则近乎为零。这样，通过一个简单的阈值操作，可从观测图像上将上述狭缝光（可理想化空间中的一个平面）在物体表面形成的光条（可理想化为一条直线）所对应的图像区域抽取出来。由于所投射的狭缝光和物体表面上的光条之间存在已知的对应关系，故由空间中的一个平面和一条与之非平行的直线可以惟一地确定空间中的一点的。图像中待求物点的三维位置信息可用上述狭缝光在空间中形成的平面和对应于像点的视线在空间中的交点所给出。

图6.7 光条投影示意图

利用该方法确定物点三维信息的优点是明显的。此法不仅处理简单、可靠，而且由一次投影操作可以得到光条上所有物点处的三维信息，测量速度比线状光投影法要快。但是，要得到整个物体的三维位置信息，需要用光条对待测物体进行一维扫描。也就是说，需要控制狭缝光的方向以保证使投射的光条能够扫过整个待测物体。

光条投影法中所使用的投影仪主要采用以下几种工作方式：

（1）机械扫描方式

例如，如图6.8a所示，将点激光所发射的激光束经柱面镜后变成平面激光，照射到受控的平面镜上，然后经平面镜在测量空间形成所需要的照射到被测物体上的平面光。相应的平面镜一般安放在具有机械扫描功能的装置上。

（2）电子扫描方式

如图6.8b所示，光源前放置了掩膜，该掩膜上有狭缝状光栅。通过计算机控制狭缝状光栅的开闭状态可形成所需要的、用于照射被测物体的平面光。由于采用电子扫描，避免了机械扫描方式的缺点。例如，它具有更灵活的扫描方式，可以按任意编制的顺序打出平面光，也可以同时打出多个平面光。

3.灰度编码模式光投影法

图6.8 光条投影法

在光条投影法中，通过先向待测物体投射方向已知的狭缝光，然后观测相应的光条来建立由狭缝光形成的平面与光条上的光点所对应的视线之间的对应关系。由于什么时候在哪个方向上投射狭缝光是预知的，故上述做法可以理解为是以建立投射狭缝光的时间序列的方式对测量空间的一种编码。上述利用时间-空间之间的对应关系的编码方式是易于理解的，也是非常实用的。但是，这种编码方式并不是在所有情况下都是行之有效的。例如，当物体和测量系统之间存在相对运动时，这种编码方式就会遇到困难。此时，有必要寻求其他更为合适的编码方式。事实上，除了上面提到的利用时间-空间之间的对应关系的编码方式之外，还存在其他一些编码方式。例如，通过向待测物体投射经过灰度或是彩色编码的模式光同样可以达到对测量空间进行编码的目的。为叙述方便，把通过向待测物体投射经过灰度（彩色）编码的模式光以实现三维视觉测量的方法简称为灰度（彩色）编码模式光投影法。下面，对灰度编码模式光投影法作一个简单的介绍。(www.chuimin.cn)

图6.9 灰度编码模式光投影法

如图6.9所示，在投影仪光源的前方放置一个掩膜。其中，掩膜上由x_p所定义的狭缝处的透光率为f（x_p）。如果适当选择f（x_p）的值[f（x_p）一般取为单值函数，如f（x_p）取为定义在某个灰度区间上的线性函数]，使不同的x_p所对应的f（x_p）的取值各不相同（即不同狭缝处的透光率各不相同）。那么当投影仪经由这样一个掩膜向待测物体投光时，投射到待测物体上的光的强度将随狭缝光方向的变化而变化，从而完成对测量空间的编码。这里，投射在由x_p所确定的狭缝光和物体表面的交线上的光的强度将与f（x_p）成正比。若用摄像机从另一方向对待测物体进行观测，将会发现照射前后待测物体的图像灰度将有所不同。其差值与入射光所在的狭缝方向x_p处的透光率f（x_p）成正比。显然，上述差分图像上的等灰度线上的各个像点所对应的物点受到来自同一个狭缝处的平面光的照射。若忽略物体表面各点反射特性的不同，则根据所观测到的上述差分图像上各像点的灰度取值可以确定与相应像点相对应的狭缝光。接下来的处理过程和光条投影法类似，图中待求物点的三维位置信息可用上述狭缝光在空间中形成的平面和对应于像点的视线在空间中的交点得出。为叙述方便，将由摄像机方向观测到的上述差分图像称为空间编码图像。

利用该方法确定物点三维信息的优点是，只需进行一次投影即可得到图像上各像点的空间编码值。该方法特别适用于在测量过程中待测物体存在抖动的情况。但是，该方法的缺点也是明显的。主要表现在以下几个方面：

1）需要高为5/K的图像传感器。

2）易受物体本身反射特性的影响。

3）易受环境背景光的影响。

4）易受物体间存在的相互反射的影响。

为了克服上述缺点，需要采取某些补偿措施。但是限于目前的技术条件，即使采用补偿手段，一般也难以得到高的测量精度。

4.组合式二值编码模式光投影法

考虑单次使用光条投影法进行三维测量的例子。从原理上来看，光条投影法可以认为是前述灰度编码模式光投影法的一个特例。由于投射到待测物体上的光的强度仅取分别对应于狭缝开、闭两种状态的“有光”（一般取为系统所能提供的最大灰度）和“无光”（一般取为0）两种灰度值，故该方法克服了灰度编码模式光投影法的主要缺点，具有抗干扰能力强、受物体本身的反射特性影响小等优点。但是，这种方法也有其自身的缺点，即一次测量仅能得到相应光条位置处的三维信息。

在此基础上，引入一种新的测量方法。该方法将上述光条投影法和灰度编码模式光投影法两种方法进行组合以克服各自方法中存在的缺点，同时尽可能保留各自方法的优点。这个方法便是所谓的组合式二值编码模式光投影法。

图6.10 组合式二值编码模式光投影法

该方法借助于图6.10上图所示的一组掩膜来实现对整个测量空间的编码。这里，每个掩膜各狭缝处的透光率仅有“1”和“0”两种可能取值。实际测量时，依次将经由上述掩膜产生的模式光投向待测物体，以完成对测量空间的编码从而建立投影光和观测像点之间的对应关系。首先，将经由第一个掩膜所产生的模式光投向待测物体。经过和光条投影法中所进行的类似处理（图像差分+取阈值操作）后，如图6.10下图所示，可将整个测量空间划分为有光和无光两种区域。对于有光区域而言，赋予其编码值“1”。而对于无光区域而言，则赋予其编码值“0”。这样，经过以上操作，可用1bit完成对测量空间的一次“粗”编码，得到相应的1bit编码图像。如图6.11a所示，整个测量空间的形状为一四角锥。用1bit按上述方式对整个空间进行编码，实际上相当于把测量空间分解成两个不相交的子空间。这些子空间的形状仍为四角锥，但横向有收缩。这样，对于空间中的一个物点而言，若经过上述处理，该点所对应的像点获得了编码值“1”，则表明相应的物点位于图6.11a所示的白色标记的子空间内，否则位于灰度标记的子空间内。同理，可将第二个掩膜产生的模式光投向待测物体，并经过与上述处理类似的过程用1bit完成对测量空间的又一次“粗”编码。该次“粗”编码的结果也把整个测量空间按照图6.11b所示的模式分解成两个不相交的子空间。相应地，可以得到另一幅关于测量空间的1bit编码图像。类似地，对于空间中的一个物点而言，若该点所对应的像点在编码过程中获得了编码值“1”，则表明相应的物点位于图6.11b中由白色标记的子空间内，否则位于灰度标记的子空间内。现在，考虑如何对前两次投影情况下得到的“粗”编码图像进行组合，以获得关于测量空间的较精细的编码结果。具体做法如下：以前面的编码过程中得到的两幅1bit编码图像为基础，生成一幅深度为2bit的编码图像。其中，该2bit编码图像的最高位的比特面为投影第一个掩膜所对应的模式光下所获得的1bit编码图像，而最低位的比特面则为投影第二个掩膜所对应的模式光下所获得的1bit编码图像。经过上述处理之后，如图6.11c所示，整个测量空间等价地被分解成2²个不相交的子空间。其对应的编码值如图6.11c上部分所示。这样，根据空间中一个物点所对应的像点在上述2bit编码图像中所取的编码值，可以推断该物点的空间位置。例如，当一个像点具有编码值（例如10）时，可知该像点所对应的物点落在图6.11c中由编码值（10）所标记的子空间内。

对于不同的掩膜不断重复上述的处理过程，可以得到关于测量空间的更为精细的编码结果。这样，经过n次投光后，将得到一深度为n bit的空间编码图像。相应地，整个测量空间被分解成2ⁿ个子空间。每个子空间均为一个形状呈刀刃状的四角锥。显然，n值越大，上述四角锥（即分解子空间）的刀背部分在空间的散开程度越小，编码的精度越高。因此，只要n足够大，则相应的刀刃状分解子空间在空间的散开程度就足够小，以至于每一个分解子空间均可由空间中的一个平面来近似。从效果上来看，这样得到的分解子空间非常类似于光条投影法中狭缝光所占据的空间区域。所不同的是，在提供同样的空间分辨率的情况下，光条投影法所需要投影的次数远比现在的方法多。例如，当把测量空间分解成2ⁿ个子空间，用光条投射法共需投影2ⁿ次，而用现在的方法（即组合式二值编码模式光投影法）则仅需投影lb2ⁿ=n次，大大减少了所需要的投影次数。

图6.11 编码示例

视觉测量技术-投影模式及优点

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