代码【计算机视觉】结构光——格雷码模式捕获教程1( 二 ) _测量

（2）光栅投射器，研制了高精度快速的光栅投射器，根据情况更换不同镜头。
（3）新的自动拼接算法，使自动拼接准确、自动化程度更高，自动删除重叠面，提高工件扫描效率80%以上，并可与西安交通大学型工业数字近景三维摄影测量系统配合使用提高拼接精度。
1.2.1三维光学密集点云测量原理
目前，国内外三维光学密集点云测量实用系统主要有两类[1]：一是采用简单的单幅光栅相移技术，以加拿大公司为代表的单相机测量技术，主要用于人体测量和人像雕刻使用，其精度无法满足工业的测量精度；二是采用格雷码加相移的三维测量技术，用多幅格雷码光栅对测量区域分级标识，再用单幅光栅相移测量，该技术国外在二十世纪90年代初已经成熟，德国GOM公司采用该技术在1995年就推出了ATOS 产品，目前国内外的三维光学扫描测量系统多采用该方法。
ATOS三维形状测量的基本原理是基于相位光栅投影的结构光法，如图 1所示，采用非接触式几何光学法测量工件的形貌轮廓，运用条纹结构光经由投射器将条纹光栅投射至待测物表面，相机拍摄工件图像，通过格雷编码与相位移法计算得到其绝对相位，配合三角测量原理便可得到待测物三维形貌轮廓。
图 1ATOS结构图
1.2.2格雷码加相移技术
对于三维光学密集点云测量方法[2]，位相测量轮廓法(PMP)为目前主流的测量技术。变形的条纹光强可用下式表示，这种变形可理解为相位和振幅均被调制的空间载波信号。
I(x,y)=R(x,y){A(x,y)+B(x,y)cos[2πx/p+Δφ(x,y)]}
上式中R(x,y)为与物体表面反射率有关的参数,A(x,y)为背景光强,B(x,y)为调制因子,P为条纹周期,Δφ(x,y)则是与物体表面轮廓相关联的相位因子,为了从I(x,y)中解调出反映物体形面信息的Δφ(x,y),在这里采用四步相移法。当引入相移量0,π/2,π，3π/2后,则有:
Δφ(x,y)=arctg[(I1-I3)/( I2-I4)]其中Ii( i =1,2,3,4)为光强。
位相测量轮廓法(PMP)的难点在于解包裹方法。目前常用解包裹方法为格雷Gray码法（如图 2所示），国外商用的三维光学测量系统几乎都采用该方法。格雷码方法己经比较成熟[3]，其优点是条纹定级非常方便，直接根据黑白分布求得格雷码，再解码便获成功，算法实现简单，易于实现产品化。但是缺点非常明显：一是格雷码只是用于对测量幅面的分级，对计算物体的相位没有帮助，无法提高测量精度，无宜是种浪费；二是格雷码的使用造成测量系统对测量工件的表面明暗比较敏感，黑白交界处容易受到噪声的干扰，一般要喷显影剂才能测量，无法测量较暗的工件，无法测量表面剧烈变化的工件；三是单次测量幅面较小，一般小于400mm 。

文章插图
图 2格雷码加相移技术示意图
图 3ATOS工作原理
图 3所示ATOS系统采用格雷码加相移获取三维点云的过程：首先由光源卤素灯产生编码光栅，这些光栅投影到被测样件表面产生一系列图象，这些图象被CCD相机摄取到，然后通过图象处理方法分析这些图象，计算被测样件表面点的空间位置。光源投影一系列的黑白条纹到被测样件表面，图像每个像素都依据其对应的被测表面点是被白色条纹还是黑色条纹投影到呈现亮或暗。比如通过投影五种条纹可以得到一个五位的二进制代码用以估算每个像素，这个代码与被测表面形状是直接相关的。使用这个代码可以得到被测表面点的粗略空间位置。
1.2.3外差式多频相移技术
对于格雷码加相移的三维测量技术的缺点[4]，国外一直在研究新的替代方法，提出了很多测量技术，其中外差式多频相移技术是发展较快的方法。国内外研究者以前提出过双频相移技术，虽然摆脱了格雷码，提出了采用查找表法的双频相移技术、贝叶斯估计法的双频相移技术等，进行了大量研究，但是实际测量效果都不理想，大量试验和理论证明采用双频相移技术无法满足实际测量需要，外差式多频相移技术是在双频相移技术的基础上发展而来的，其光栅数目大于两个，一般为3至6个，而且种频率光栅需要进行多次相移，因此其技术难度大大增加。该技术与传统的格雷码加相移相比，具有以突出下优点：

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