什么是結(jié)構(gòu)光成像

1.為什么需要三維成像？

隨著我們文明的集體需求變得越來越復(fù)雜，過去的二維成像方法已經(jīng)給我們對(duì)周圍世界的感知和理解造成了限制。我們生活在3D世界中，許多應(yīng)用領(lǐng)域都可以從3D意識(shí)中受益。

我們的“立體”眼睛和認(rèn)知處理能力建立起我們的三維意識(shí)，但是提取三維信息并不是只能通過立體視覺。目前我們已經(jīng)開發(fā)了幾種不同的3D方法并將其應(yīng)用于機(jī)器視覺，其中一種迅速流行（和實(shí)用）的方法就是結(jié)構(gòu)化光成像。

2.結(jié)構(gòu)光成像是什么？

結(jié)構(gòu)化光成像使用特定的（通常是調(diào)制的）光圖案和2D成像相機(jī)來捕獲表面的3D形貌。Photoneo是結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)的一個(gè)典型示例，現(xiàn)已在工業(yè)上被廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

這個(gè)概念很簡單：將已知的圖案投影到表面上。當(dāng)相機(jī)從一個(gè)（或多個(gè)）不同的角度查看圖案時(shí)，目標(biāo)的表面特征會(huì)使圖案變形，如圖1所示。圖案變形的方向和大小用于重構(gòu)目標(biāo)對(duì)象的表面形貌。

圖1：規(guī)則的條紋圖案投射到球上。球的圓形表面使條紋變形，并且變形的圖像被相機(jī)捕獲以進(jìn)行分析和對(duì)象重建。

在圖1所示的示例中，已說明了規(guī)則的正弦波模式。這種類型的模式通常用于相移順序投影方法，這只是已開發(fā)的幾種方法之一。其他包括連續(xù)變化的彩虹圖案，灰度或色帶索引，網(wǎng)格索引（例如，使用偽隨機(jī)二進(jìn)制點(diǎn)或2D顏色編碼的點(diǎn)陣列）等。除了這些方法之外，還有混合方法，它們結(jié)合了多種方法來優(yōu)化特定表面或目標(biāo)的結(jié)果。

關(guān)于各種方法的詳細(xì)討論超出了本文的范圍。為了便于討論，本文僅詳細(xì)介紹相移方法。

3.什么是相移？

相移方法利用一組灰度圖像，其像素強(qiáng)度由正弦波模式定義，如圖2所示。通常，使用三個(gè)（或可能更多）圖像之間具有已知相移的圖像。將相移后的圖案順序投影到對(duì)象上，然后在進(jìn)行相位展開操作之后，將所得的差異圖像與參考平面進(jìn)行比較，以提取原始對(duì)象的表面特征。

圖2：用于相移結(jié)構(gòu)光投影的3種正弦波模式圖像之一

4.相移示例？

現(xiàn)在，讓我們將“相移”方法應(yīng)用于一個(gè)假設(shè)的示例。假設(shè)我們要繪制一個(gè)塑料球的3D表面，如圖3所示。

圖3：掃描目標(biāo)：一個(gè)塑料球

如圖4所示，以圖像之間的已知相移來準(zhǔn)備投影圖案圖像（請(qǐng)注意，通常使用3張或更多張圖像。此處僅示出了2張，以節(jié)省空間）。

圖4：相移投影圖案。

在構(gòu)造了投影圖案之后，將圖案順序地投影到對(duì)象上，并捕獲圖像。展開后，可以重建3D表面貼圖，如圖5所示。

圖5：相移的投影和生成的3D構(gòu)造。

您可能會(huì)注意到，在圖5的右側(cè)僅重建了球體的前半部分（或“上半部分”）。對(duì)于這個(gè)假設(shè)的示例，我們假設(shè)沒有移動(dòng)攝像機(jī)。重要的是要了解結(jié)構(gòu)光成像通常不用于測量體積密度（例如醫(yī)學(xué)成像中使用的MRI或CT掃描）。它更多地是一種“表面映射”方法，因?yàn)樗樟亮艘粋€(gè)表面，并映射了該表面的形貌變化而不是物體的體積。從平面作為參考開始，此方法測量從該參考平面開始的偏轉(zhuǎn)。即使此方法只能在任何給定的2D視圖中捕獲單個(gè)平面的偏轉(zhuǎn)，也可以通過將目標(biāo)旋轉(zhuǎn)360°并捕獲覆蓋其整個(gè)表面的多個(gè)表面貼圖來組裝目標(biāo)整個(gè)3D表面的3D網(wǎng)格。

結(jié)構(gòu)光成像通常用于機(jī)器視覺，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生高分辨率結(jié)果。某些方法可以有效地用于中速和高速應(yīng)用。它允許同時(shí)采集多個(gè)樣本，并可用于滿足廣泛或?qū)嶋H的挑戰(zhàn)。