一款結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

魏茂 王修竹 劉涌

摘 要： 結(jié)構(gòu)光三維掃描儀具有高速度、高精度、獲取的點(diǎn)云密集等特點(diǎn)，得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于精細(xì)化測(cè)量領(lǐng)域。基于時(shí)間相位展開(kāi)算法和雙目視覺(jué)原理，利用工業(yè)相機(jī)和光柵投影儀構(gòu)建了一套結(jié)構(gòu)光柵三維掃描測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，較為全面地闡述了設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)步驟，為從事三維結(jié)構(gòu)光測(cè)量的研究者和應(yīng)用開(kāi)發(fā)者提供了一種參考方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠有效地支持結(jié)構(gòu)光掃描，具有較高的測(cè)量精度。

關(guān)鍵詞： 三維測(cè)量； 結(jié)構(gòu)光柵投影； 立體視覺(jué)； 測(cè)量裝置

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）09-01-03

Abstract： Structured light 3D scanner has been widely recognized in the market and used in three-dimensional measurement fields because of its characteristics of high speed， high precision and dense point cloud. In this paper， a set of experimental device for 3D scanning measurement of structural grating is constructed using industrial camera and grating projector based on temporal phase unwrapping and stereo vision. The specific design scheme and design steps are described in detail， which provides a reference scheme for researchers and application developers engaged in 3D structural light measurement. The experimental results show that the device can effectively support structured light scanning and has high measurement accuracy.

Key words： three-dimensional measurement； structured grating； stereo vision； measurement device

0 引言

近年來(lái)，3D打印技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，為3D測(cè)量與數(shù)字建模技術(shù)打開(kāi)了廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。結(jié)構(gòu)光三維掃描儀因其掃描精度高、測(cè)量速度快、獲取的點(diǎn)云密集等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、機(jī)械仿制、文物保護(hù)等領(lǐng)域。盡管相關(guān)產(chǎn)品已廣泛投放市場(chǎng)，但對(duì)于初涉該項(xiàng)技術(shù)的研究者和開(kāi)發(fā)者而言，公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)技術(shù)資料還非常稀少。有鑒于此，本文介紹了一款結(jié)構(gòu)光柵三維掃描儀的設(shè)計(jì)過(guò)程，為研究者和應(yīng)用開(kāi)發(fā)者搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供一些參考，有助于推廣結(jié)構(gòu)光3D掃描技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用。

1 主要部件選型

所開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)光三維掃描儀由雙目相機(jī)、光柵投影儀兩個(gè)主要光電部件構(gòu)成。

⑴ 光柵投影機(jī)

出于性能考慮，本文采用巨維達(dá)PDC03型結(jié)構(gòu)光柵投影機(jī)[1]。其主板輸入輸出接口如圖1所示。

該投影機(jī)主要包含MiniUSB接口、同步輸出/CCD外觸發(fā)接口、電源接口等。采用藍(lán)光LED燈投影，刷新頻率60Hz。

⑵ 雙目相機(jī)

選用兩臺(tái)Basler Aea1300-30gm工業(yè)相機(jī)[2]作為同步光柵數(shù)據(jù)采集之用，具有內(nèi)觸發(fā)、軟觸發(fā)、外觸發(fā)三種工作模式，最大幀率30Hz。測(cè)量前，兩臺(tái)相機(jī)應(yīng)分別對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，如圖2所示連接并固定在一起，構(gòu)成雙目相機(jī)，兩相機(jī)之間的距離約10CM左右。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)通常是按照測(cè)量覆蓋范圍和測(cè)量精度進(jìn)行規(guī)劃的，也可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量物體的大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。本系統(tǒng)采用如圖3所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)定測(cè)量覆蓋范圍為30CM×25CM，因此需要分別調(diào)整光柵投影機(jī)和雙目相機(jī)與被測(cè)物體距離，以及投影機(jī)與雙目相機(jī)之間的距離，使得投影機(jī)的投影圖像和相機(jī)鏡頭的可視區(qū)域均能夠覆蓋設(shè)定的同一區(qū)域。

3 輔助模塊與連線

圖4為測(cè)量系統(tǒng)各主要部件之間的連線示意圖。PC與投影儀之間使用USB信號(hào)線連接，通過(guò)MiniUSB接口控制光柵投影機(jī)，完成光柵圖像序列從PC到投影機(jī)的傳輸與存儲(chǔ)、設(shè)置圖像投影時(shí)間與投影順序、發(fā)出投影控制信號(hào)等功能。

PC的擴(kuò)展槽中需插入一塊多通道數(shù)據(jù)采集卡，用于PC實(shí)時(shí)控制兩路相機(jī)曝光并獲取相機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)。本文選擇了Intel （R） Gigabit ET Quad Port Server Adapter作為圖像采集卡（具有4個(gè)千兆數(shù)據(jù)傳輸通道），使用其中兩路數(shù)據(jù)通道，通過(guò)兩根數(shù)據(jù)線分別連接到兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)。測(cè)量前應(yīng)預(yù)先安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并設(shè)置好道數(shù)據(jù)采集卡端口和相機(jī)端口的IP地址及相關(guān)初始化數(shù)據(jù)。

投影儀與兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)之間通過(guò)外觸發(fā)接口相連，相機(jī)需要預(yù)先設(shè)置為外觸發(fā)模式。掃描儀工作過(guò)程中，每當(dāng)投影儀切換圖片的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)到兩臺(tái)相機(jī)，相機(jī)將自動(dòng)曝光并各自采集一幅圖像。

4 相關(guān)準(zhǔn)備工作

⑴ 標(biāo)定雙目相機(jī)

按照雙目視覺(jué)原理，需要預(yù)先標(biāo)定雙目相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，才能精確計(jì)算像點(diǎn)視差及的深度信息。可以利用MATLAB提供的Stereo Calib Toolbox工具包[3]進(jìn)行標(biāo)定，本文采用OpenCV[4]提供的角點(diǎn)提取算法，結(jié)合其中的張正友標(biāo)定算法[5]進(jìn)行雙目相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定。

⑵ 制作結(jié)構(gòu)光柵圖像序列

結(jié)構(gòu)光柵三維掃描儀通過(guò)投射并同步采集一些預(yù)先制作的光柵圖像，按照確定的相位展開(kāi)算法進(jìn)行運(yùn)算，最終按照測(cè)量機(jī)構(gòu)的位置參數(shù)來(lái)計(jì)算物體的三維點(diǎn)云。因此，需要根據(jù)相位展開(kāi)算法確定并制作結(jié)構(gòu)光柵圖像序列。

本測(cè)量系統(tǒng)擬采用四步相移法[6]計(jì)算包裹相位，采用岳慧敏[7]時(shí)間相位展開(kāi)算法計(jì)算展開(kāi)相位，其時(shí)間序列為t=1，8，64，按照LIU算法[8]進(jìn)行雙像相位特征匹配。根據(jù)PDC03型投影機(jī)的特點(diǎn)，制作的光柵圖片應(yīng)為分辨率1280*800的24位灰度圖像，并按照橫向和縱向兩個(gè)方向排列正弦光柵。因此，需要制作橫/縱兩個(gè)方向的兩套光柵條紋圖像，每套圖像包含t=1，8，64三種頻率的光柵，且每種頻率光柵均包含0?、90?、180?、270?四種相移光柵，共計(jì)需要2×3×4=24幅結(jié)構(gòu)光柵條紋圖像，構(gòu)成投影光柵圖像序列。

5 數(shù)據(jù)采集過(guò)程的控制流程設(shè)計(jì)

在前期工作準(zhǔn)備完成之后，開(kāi)始設(shè)計(jì)PC機(jī)的控制程序，需要完成以下工作。

⑴ 初始化工作

PC調(diào)用投影儀SDK接口，將設(shè)計(jì)好的一組正弦光柵圖像按順序存儲(chǔ)到投影儀，并根據(jù)需要設(shè)置單張圖片的投影時(shí)間、投影間隔等參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置請(qǐng)參閱PDC03相機(jī)的參數(shù)說(shuō)明書(shū)。

PC調(diào)用相機(jī)的SDK接口，設(shè)置兩臺(tái)相機(jī)的采集圖像格式（幅寬1280，幅高1024、黑白模式等），曝光模式（外觸發(fā)）、曝光時(shí)間（以64周期光柵圖片采集圖片不出現(xiàn)大量連續(xù)的欠飽和或過(guò)飽和為依據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整）、采集幀率（60）等，具體參數(shù)請(qǐng)查閱Basler相機(jī)提供的參數(shù)說(shuō)明書(shū)。

⑵ 數(shù)據(jù)采集控制流程

PC調(diào)用相機(jī)SDK向投影機(jī)發(fā)送開(kāi)始投影命令，投影機(jī)將定時(shí)投影結(jié)構(gòu)光柵圖像序列到被測(cè)物體表面，每投影一幀圖像，將通過(guò)外觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)兩臺(tái)相機(jī)。相機(jī)在每收到一個(gè)投影儀的外觸發(fā)信號(hào)后自動(dòng)曝光并各自采集一幅圖像。序列投影完成后，每臺(tái)相機(jī)將采集到24幅圖像。

6 點(diǎn)云計(jì)算流程

根據(jù)四步相移法進(jìn)行相位展開(kāi)，獲得包裹相位圖。對(duì)橫/縱兩個(gè)方向分別運(yùn)用岳慧敏時(shí)間相位展開(kāi)算法，計(jì)算獲得橫/縱方向的展開(kāi)相位。兩臺(tái)相機(jī)可分別獲得展開(kāi)相位。利用LIU[8]的對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找算法，獲得兩相機(jī)圖像空間所有的匹配點(diǎn)對(duì)，以上各步驟的流程如圖5所示。傳入雙目相機(jī)標(biāo)定參數(shù)，通過(guò)OpenCV提供的畸變矯正算法和立體匹配算法計(jì)算三維點(diǎn)云。

7 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

應(yīng)用以上結(jié)構(gòu)光三維掃描裝置分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)平面和球面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果及誤差分布如圖6所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：本測(cè)量系統(tǒng)的平面點(diǎn)云測(cè)量誤差在-0.298mm到0.172mm之間，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.056mm。球面點(diǎn)云測(cè)量誤差在-0.151mm到0.139mm之間，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.025mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于測(cè)量覆蓋范圍較小，因而具有較高的測(cè)量精度，適合于對(duì)精度要求較高的測(cè)量環(huán)境。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] http：//www.gvinda.com/product_show.asp？id=129

[2] https：//www.baslerweb.com/cn/products/cameras/area-scan-cameras/ace/aca1300-30gc/

[3] http：//www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/index.html

[4] https：//opencv.org/

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[6] C. Reich， R. Ritter and J. Thesing. 3-D shapemeasurement of complex objects by combining photogrammetry and fringe projection[J]. Optical Engineering，2000.39（1）：224-231

[7] 岳慧敏，蘇顯渝.時(shí)間位相展開(kāi)方法研究進(jìn)展[J].激光雜志，2004.25（3）：9-12

[8] Liu Yong， A correspondence finding method based onspace conversion in 3D shape measurement using fringe projection[J].Optics Express，2015.23（11）：14188-14202