结构光三维视觉测量

1、 应用简介
结构光视觉方法的研究最早出现于20世纪70年代。在诸多的视觉方法中，结构光三维视觉以其大量程、大视场、较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点，近年来在工业三维测量领域得到了广泛的应用。
2、 系统设计原理、方框图、原理图
结构光三维视觉是基于光学的三角法测量原理。如图所示，光学投射器（可以是激光器，也可以是投影仪）将一定模式的结构光投射于物体的表面，在表面形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像。该三维图像由处于另一位置的摄像机摄取，从而获得光条二维畸变图像。光条的畸变程度取决于取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形廓（高度）。直观上，沿光条显示出的位移（或偏移）与物体的高度成比例，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由畸变的二维光条图像坐标便可重现物体表面的三维形廓。结构光三维视觉测量系统由光学投射器、摄像机、和计算机系统三部分构成。
根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式可分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式和网格结构光模式。线结构光模式复杂度低、信息量大，应用最为广泛。下图为线结构光打在标定板和被测物体的光条图像。
3、 选型原则、精度分析
结构光视觉传感器的测量精度受诸多因素的影响，如摄像机本身的光学物理参数、光学投射器特征参数、传感器本身的结构参数及外界干扰源等等。在摄像机、光学投射测量环境一定的情况下，测量系统的结构参数对测量精度影响很大。实验和相关理论推导表明，测量点的定位误差和系统结构相关性如下：
1）摄像机光轴和光平面垂直时，深度方向的测量误差最小。
2）摄像机与光学投射器距离越远，测量误差越小。
3）摄像机镜头放大倍率越小，测量误差越小；这也表面被测物体离摄像机越远测量误差越大。
当系统的几何结构确定以后，摄像机的参数对系统的测量精度至关重要。逐行扫描的CCD相机的动态范围大、噪声小、没有奇偶行场频接误差，非常适合测量的应用。相机的分辨率越高、动态范围越大，测量的精度就越高。一个典型的测量系统是：采用丹麦JAI公司百万象素级的CV-A1相机、日本Computar 公司的16 mm焦距镜头、加拿大StockerYale公司生产的Lasiris激光投射器。具体产品参数如下：
1) CV-A1相机：1/2”靶面，1380*1035象素，逐行扫描，帧速16fps，模拟输出，灵敏度0.3Lux
2) M1614-MP镜头：C接口，焦距16mm， F数1.4
3) PC2-Vision图像采集卡：加拿大CORECO公司生产的模拟采集卡，可同时接6部黑白相机或者2部RGB彩色相机。