結(jié)構(gòu)光柵三維掃描技術(shù)圖像采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏茂，劉涌，王修竹

（1.中共綿陽市委黨校，綿陽 621000；2.西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，綿陽 621010）

0 引言

結(jié)構(gòu)光投影3D形貌測(cè)量技術(shù)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。如今市面上結(jié)構(gòu)光3D掃描儀由于采用了專用光電組件，因此售價(jià)昂貴。對(duì)于大多數(shù)研究者和應(yīng)用開發(fā)者而言，希望能夠利用通用的光電組件搭建一個(gè)具體實(shí)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。盡管近年來該方面的理論研究論文大量涌現(xiàn)，但在具體應(yīng)用設(shè)計(jì)方面可供參考的資料卻非常稀少。因此，基于多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，本文詳細(xì)分析并設(shè)計(jì)了一個(gè)利用通用光電組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)光投影3D形貌測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并針對(duì)其中的光柵圖像投影與采集控制過程進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，希望能為該方向的研究者和應(yīng)用開發(fā)者提供一些有益的參考。

1 光柵投影三維測(cè)量過程與光柵圖像序列設(shè)計(jì)

光柵投影形貌測(cè)量通常包括光柵編碼技術(shù)、相位展開算法、立體匹配算法以及深度計(jì)算算法等[1]。通過投射并同步采集一個(gè)光柵圖像序列，按照確定的相位展開算法進(jìn)行運(yùn)算，最終按照測(cè)量機(jī)構(gòu)的位置參數(shù)來計(jì)算物體的三維點(diǎn)云。因而從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講，通常需要光柵投影設(shè)備和光柵采集設(shè)備，包括數(shù)字投影機(jī)和數(shù)字相機(jī)。

本測(cè)量系統(tǒng)擬采用正弦灰度光柵，利用四步相移法[2]計(jì)算包裹相位，采用岳慧敏[3]時(shí)間相位展開算法計(jì)算展開相位，其時(shí)間序列為t=1,8,64，按照LIU算法[4]進(jìn)行雙像相位特征匹配。根據(jù)Sony VSP-EL7投影機(jī)的特點(diǎn)，需要制作的光柵圖片應(yīng)為分辨率1024×768的8位灰度圖像，即黑白圖像，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N=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Ii（i=1，2，…，24）。

2 測(cè)量系統(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，在不考慮測(cè)量精度的情況下，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)設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，投影機(jī)采用一臺(tái)HITACHI CP-HX4050投影儀（見圖2，最大圖像分辨率1024×768），用于投影光柵條紋圖像序列；雙目相機(jī)采用網(wǎng)上購(gòu)買的兩個(gè)TT CAM微型攝像頭（見圖3，圖像分辨率1920×1080），用支架固定在一起，形成雙目視覺系統(tǒng)，兩個(gè)攝像頭之間的水平距離設(shè)置為大約10CM，用于采集投影機(jī)投影到被測(cè)物體表面后形成的圖像序列。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。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖2 HITACHI CP-HX4050投影儀

圖3 TT CAM攝像頭

3 系統(tǒng)接口與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在確定了測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，需要考慮如何將各個(gè)光電部件與計(jì)算機(jī)接口相互連接，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一的控制。根據(jù)光柵投影3D掃描技術(shù)原理，需要計(jì)算機(jī)控制投影儀投射光柵圖像，且相機(jī)同步采集調(diào)制后的條紋圖像。結(jié)合計(jì)算機(jī)、投影儀和攝像頭所提供的接口類型，設(shè)計(jì)了如圖4所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

其中，兩路攝像頭均以RJ-45數(shù)據(jù)信號(hào)為輸出接口，因此需要在計(jì)算機(jī)上增加一塊多通道圖像采集卡（本文采用Intel Gigabit ET Quad Port Server Adapter作為圖像采集卡，采用16X AGP接口與主機(jī)相連），用于控制攝像頭采集并獲取采集到的光柵圖片。投影儀以VGA接口作為輸入，因此需要在計(jì)算機(jī)上增加一塊能夠輸出VGA信號(hào)的顯卡（本文采用Radeon R5 230顯卡，采用16X AGP接口與主機(jī)相連，如圖5所示），用于輸出光柵圖片信號(hào)。由于常用的臺(tái)式計(jì)算機(jī)（本設(shè)計(jì)采用聯(lián)想啟天M690E）主板僅有一個(gè)16X AGP插槽，因而本系統(tǒng)將該16X AGP插槽分配給圖像采集卡使用，而將VGA顯卡通過16X AGP接口到1X AGP接口轉(zhuǎn)換線連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主板的1X AGP接口（見圖 5）。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 圖像采集卡與轉(zhuǎn)換線

4 光柵圖像投影與采集控制流程設(shè)計(jì)

在以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，考慮到PC需要運(yùn)行控制程序（控制窗體，用于設(shè)置相機(jī)參數(shù)和實(shí)時(shí)顯示兩臺(tái)相機(jī)采集的幀圖像），而投影儀需要投射光柵圖像。因此，設(shè)計(jì)了兩個(gè)窗體（控制窗體和投影窗體）分別完成以上任務(wù)，且兩個(gè)窗體分別在個(gè)監(jiān)視器（主監(jiān)視器和擴(kuò)展監(jiān)視器）上顯示。本設(shè)計(jì)將控制程序的控制窗口（同時(shí)具有設(shè)置相機(jī)參數(shù)和顯示兩臺(tái)相機(jī)采集幀圖像的相關(guān)界面）放在主顯示器上顯示，而將光柵圖像放在由一個(gè)控制程序產(chǎn)生的對(duì)話窗體中，通過擴(kuò)展顯示器進(jìn)行條紋序列的投影。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)相機(jī)采集時(shí)間基本同步，需要設(shè)置兩個(gè)線程，將相機(jī)1和相機(jī)2采集圖像的過程分別放入這兩個(gè)線程中去獨(dú)立完成。

圖6 控制線程工作流程圖

基于以上思路，主窗體開始測(cè)量事件作為控制線程，控制流程設(shè)計(jì)如圖6所示。相機(jī)1和相機(jī)2作為兩個(gè)獨(dú)立的線程，由控制線程啟動(dòng)，并通過采集幀控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步，啟動(dòng)相機(jī)進(jìn)行幀采集。其工作流程如圖7所示。

圖7 相機(jī)線程工作流程圖

5 結(jié)語

本文為結(jié)構(gòu)光柵投影3D形貌測(cè)量技術(shù)提供了一套相對(duì)較為完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路。在實(shí)際應(yīng)用中，采集到的圖像序列還有需要結(jié)合時(shí)間相位展開算法、匹配搜索算法、立體相機(jī)標(biāo)定算法、像點(diǎn)立體矯正算法、深度計(jì)算算法等，才能真正完成3D立體掃描的任務(wù)，而這些內(nèi)容超出了本文的目標(biāo)。為方便研究者理解本文的設(shè)計(jì)思路，相關(guān)參考文獻(xiàn)已經(jīng)在相應(yīng)部分給出，一些具體的算法還可以直接調(diào)用OpenCV[5]開發(fā)工具包予以實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。