單投影線結構光的室外投影成像研究

歐建良，周樂恒，陳奎佑，連佳琪，周婷英

摘? 要：激光掃描技術，從室內外地面架站到無人機機載，已經廣泛應用在國土資源測量及基礎設施檢測各方面，具有實時生成三維數據、對作業平臺穩定性要求高的特點。相比于激光掃描，結構光具有帶狀面陣同步觀測能力，能降低自身移動振動對觀測質量的干擾，但在室外環境作業方面受限明顯。對此，在已有算法基礎上，設計改進單線結構光投線儀，取得了“白天室外70米距離上投影線三維提取”的技術進展。

關鍵詞：激光雷達；室外環境；結構光；投影線增強

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-5603（2023）03-105-04

Research on Outdoor Projection and Imaging with Single Projection Contour Structured-light

Ou Jianliang1，Zhou Leheng2， Chen Kuiyou1，Lian Jiaqi1，Zhou Tingying1

（1.College of Civil Engineering， Yango University， Fuzhou Fujian 350015;

2.College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou Fujian 350116）

Abstract： Laser scanning technology （LiDAR）， ranging from indoor and outdoor surface stations to unmanned aerial vehicles， has been widely used in various aspects of land and resource measurement and infrastructure detection. It has the characteristics of real-time generation of three-dimensional data and high stability requirements for the work platform. Compared to laser scanning， structured-light has the ability to synchronously observe with a strip array， which can reduce the interference of its own moving vibration on the observation quality. However， it is significantly limited in outdoor environmental operations. In this regard， based on the existing algorithms， this article designs and improves a single contour structured-light projector， achieving technological progress in "3D extraction of projection contours at a distance of 70 meters outdoors during the day".

Keywords： LiDAR; outdoor environment; structured-light; projection contour enhancement

0 引言

激光雷達（light detecting and ranging， LiDAR）不依賴目標表面紋理特征，通過點掃描獲取目標高密度三維點云，實現目標三維測量，以室內外地面架站與無人機搭載等方式，廣泛應用在國土資源測量及基礎設施檢測各方面[1-3]。由于LiDAR以激光束穩定有效發射接收為基礎，以及表面掃描需一定時間，對表面光滑平整、反射率較高物體的掃描效果很好，而對地表植被、堤壩邊坡等削弱反射能力的情況，實際測量能力顯著降低[4，5]。當LiDAR在車載、無人機連續移動平臺上作業時，則因為光束掃描的時序性特點，受平臺動態干擾產生點云丟失、整體精度降低等問題。

與激光雷達LiDAR不同，結構光測量將動態光學特征與瞬間靜態二維圖像相結合，具有投射特征精確提取、二維圖像消減動態時序干擾等特點[6-8]，其基本工作模式為：立體圖像測量中，以一定投影模式（如光刀）光學投射代替一個像機，對成像特征標定約束后，再以攝像方式解算待測對象表面投影特征的三維坐標[6-9]。結構光測量一直是實驗力學和光測領域的研究前沿，當被觀測對象難以通過攝影測量、激光掃描有效工作時，該模式還能獲得穩定高質量的測量結果[10-15]。但受具體算法和工作模式限制，結構光測量目前主要是用于室內或半室內的流水線機械零部件等小尺度工業測量。以光刀法為例，其基本模式主要適用于系統自身位姿不變、視覺深度與寬度均較小的情況，如物料或電路板以皮帶傳輸等方式運動條件下的斷面三維測量[2]；由于投影線聚焦深度小，使得測量量程有限，待測對象尺寸增加時在其表面的投影輪廓線無法維持聚焦，使得投影中心線連續精確提取難以進行[11]。

室外地形地物測量，其空間尺度通常都是上百米，所在外部環境更是全室外光照狀態。現有結構光測量模式對此存在明顯不足，主要是光學特征投射在太陽大氣環境下不明顯、結構光成像不實用，以及各單元間相對姿態難以長期精確保持等；另一方面，適用于室外遠距離的LiDAR設備價格昂貴、對國外廠家依賴性大，如果結構光測量能通過自主研發達到室外環境有效作業的能力，將具有很好的應用前景。

1 理論研究

隨著待測物體與儀器之間距離增加，室外結構光投射三維視覺測量能力顯著下降甚至無法工作，除了環境光照對投射特征干擾使得像機無法對結構光特征有效記錄，還有另一個因素就是現有結構光投影設備自身的問題，以單線結構光投影方式為例說明：投線儀發射功率角度不變，而與待測對象距離增大后，投射到待測對象單位長度的能量密度顯著下降。

對此，本文設計定制出一種可根據待測對象尺度和距離遠近，調節發射角度的新型線結構光，結合已有研究提出的投影線提取算法[4，7]，無需做復雜的測距調焦，通過調節發射角控制投影線長度及投影點重返頻率，實現不變擺速的投影線強度可控，該新單線投影結構光設計如圖1所示。

2 技術路線

本文基于圖1所示方案，采用高出瞳功率工業激光點光源，高速往復擺動投射在待測物表面，可獲得曝光時間10毫秒內的連續投影線圖像。簡單來說，該單線結構光特點有：（1）激光點發射功率與擺動角速度不變，調節最大擺角控制固定距離上投影線長度變化；（2）被測對象距離光源近時增大最大擺角，讓投影線長度按需加長即擴大投影線掃描范圍；（3）同等幾何尺寸被測對象距離光源遠時，減小最大擺角，增加單位時間重復掃描頻率，從而提高對投影線的光學成像質量；（4）僅做擺動限角調節，無需復雜的測距調焦，結構簡單易實現。加裝本文研制的單線結構光單元后實驗系統工況如圖2所示。

為檢查研制單線結構光的室外掃描有效性，本文基于自研算法與實驗系統，設計了室外實驗工作的技術流程圖如圖3所示。

3 實驗分析

對于設計定制單線結構光，本文采用圖3技術流程，開展了大量實驗測試。以下兩個實驗，可以較好的說明本文研制單線結構光在室外環境下的有效性，展開說明如下：

3.1 室外70 m距離上雕塑投影掃描

實驗人員于長沙某高校實驗大樓13樓窗口架設雙工業像機與單線結構光（單層樓高3.5 m），斜下視對準室外地面雕像（圖4中紅色虛線橢圓圈出部位），其空間尺寸大致為“高3 m×長8 m×厚0.5 m”，與實驗大樓邊緣平面距離大致50 m，因而從13樓窗口到雕像的斜距約70 m。在雕塑四周及不同凸起部位貼上打印的合作標志（圖4中的黑白棋盤格），通過全站儀測定獨立坐標系下合作標志三維坐標，以此做雙像機相對于該局部坐標系的內外參數標定；通過調節投影線最大掃描角度，使得投影線完整覆蓋雕塑，單線結構光在手動操作下實現對雕像表面的投影掃描，雙目像機以每秒5 hz頻率同步成像，經過實驗軟件處理得到雕塑表面投影線三維線。由于是手動掃描，投影線間距不是很均勻，實驗情況如圖4所示。

3.2 室外基坑內土堆水泥柱投影掃描

該實驗在中科院武漢巖土所的某中型基坑現場進行，實驗條件是“春夏之交、中午無遮擋太陽直曬下”，掃描對象是距離實驗系統10 m左右的半干半濕土堆及水泥柱。經過投影線發射角調節，做到對雙目像機視場內土堆與水泥柱的完整覆蓋，實驗系統采集的是灰度圖像（投影線即圖5（b）中白色條紋）。本次實驗前，單線結構光已安裝在步進電機轉盤上，通過運動控制箱轉動，帶動投影線在雙目相機視場內勻速掃描。由于得到步進電機支持，投影線間距均勻度得到顯著改善，實驗情況如圖5所示。

4 結語

已有實驗表明，本文研究的單線結構光，避免了不同距離上聚焦的復雜操作，定制實現快、可靠性好，在已有算法支持下，能顯著提高室外結構光測量作業的有效性，可實現“室外70 m距離掃描、米級尺度目標覆蓋掃描”等階段性目標。接下來，課題組將開展多站提取投影線拼接、基礎設施掃描精度分析等方面工作，進一步優化結構光室外實驗系統。

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