一款結構光三維掃描測量裝置的設計

魏茂 王修竹 劉涌

摘 要： 結構光三維掃描儀具有高速度、高精度、獲取的點云密集等特點，得到了市場的廣泛認可，廣泛應用于精細化測量領域?；跁r間相位展開算法和雙目視覺原理，利用工業(yè)相機和光柵投影儀構建了一套結構光柵三維掃描測量實驗裝置，較為全面地闡述了設計方案和設計步驟，為從事三維結構光測量的研究者和應用開發(fā)者提供了一種參考方案。實驗結果表明，該裝置能夠有效地支持結構光掃描，具有較高的測量精度。

關鍵詞： 三維測量； 結構光柵投影； 立體視覺； 測量裝置

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：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，3D打印技術與虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展，為3D測量與數(shù)字建模技術打開了廣闊的應用市場。結構光三維掃描儀因其掃描精度高、測量速度快、獲取的點云密集等特點，被廣泛應用于工業(yè)檢測、機械仿制、文物保護等領域。盡管相關產品已廣泛投放市場，但對于初涉該項技術的研究者和開發(fā)者而言，公開發(fā)表的相關技術資料還非常稀少。有鑒于此，本文介紹了一款結構光柵三維掃描儀的設計過程，為研究者和應用開發(fā)者搭建實驗平臺提供一些參考，有助于推廣結構光3D掃描技術在我國的應用。

1 主要部件選型

所開發(fā)的結構光三維掃描儀由雙目相機、光柵投影儀兩個主要光電部件構成。

⑴ 光柵投影機

出于性能考慮，本文采用巨維達PDC03型結構光柵投影機[1]。其主板輸入輸出接口如圖1所示。

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

⑵ 雙目相機

選用兩臺Basler Aea1300-30gm工業(yè)相機[2]作為同步光柵數(shù)據(jù)采集之用，具有內觸發(fā)、軟觸發(fā)、外觸發(fā)三種工作模式，最大幀率30Hz。測量前，兩臺相機應分別對準被測物體，如圖2所示連接并固定在一起，構成雙目相機，兩相機之間的距離約10CM左右。

2 系統(tǒng)體系結構設計

測量系統(tǒng)體系結構通常是按照測量覆蓋范圍和測量精度進行規(guī)劃的，也可以根據(jù)實際測量物體的大小進行動態(tài)調整。本系統(tǒng)采用如圖3所示的系統(tǒng)結構，設定測量覆蓋范圍為30CM×25CM，因此需要分別調整光柵投影機和雙目相機與被測物體距離，以及投影機與雙目相機之間的距離，使得投影機的投影圖像和相機鏡頭的可視區(qū)域均能夠覆蓋設定的同一區(qū)域。

3 輔助模塊與連線

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

PC的擴展槽中需插入一塊多通道數(shù)據(jù)采集卡，用于PC實時控制兩路相機曝光并獲取相機采集的圖像數(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個千兆數(shù)據(jù)傳輸通道），使用其中兩路數(shù)據(jù)通道，通過兩根數(shù)據(jù)線分別連接到兩臺工業(yè)相機。測量前應預先安裝設備驅動程序，并設置好道數(shù)據(jù)采集卡端口和相機端口的IP地址及相關初始化數(shù)據(jù)。

投影儀與兩臺工業(yè)相機之間通過外觸發(fā)接口相連，相機需要預先設置為外觸發(fā)模式。掃描儀工作過程中，每當投影儀切換圖片的時候，會自動發(fā)送一個觸發(fā)脈沖信號到兩臺相機，相機將自動曝光并各自采集一幅圖像。

4 相關準備工作

⑴ 標定雙目相機

按照雙目視覺原理，需要預先標定雙目相機的內外參數(shù)，才能精確計算像點視差及的深度信息?？梢岳肕ATLAB提供的Stereo Calib Toolbox工具包[3]進行標定，本文采用OpenCV[4]提供的角點提取算法，結合其中的張正友標定算法[5]進行雙目相機的內外參數(shù)標定。

⑵ 制作結構光柵圖像序列

結構光柵三維掃描儀通過投射并同步采集一些預先制作的光柵圖像，按照確定的相位展開算法進行運算，最終按照測量機構的位置參數(shù)來計算物體的三維點云。因此，需要根據(jù)相位展開算法確定并制作結構光柵圖像序列。

本測量系統(tǒng)擬采用四步相移法[6]計算包裹相位，采用岳慧敏[7]時間相位展開算法計算展開相位，其時間序列為t=1，8，64，按照LIU算法[8]進行雙像相位特征匹配。根據(jù)PDC03型投影機的特點，制作的光柵圖片應為分辨率1280*800的24位灰度圖像，并按照橫向和縱向兩個方向排列正弦光柵。因此，需要制作橫/縱兩個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，共計需要2×3×4=24幅結構光柵條紋圖像，構成投影光柵圖像序列。

5 數(shù)據(jù)采集過程的控制流程設計

在前期工作準備完成之后，開始設計PC機的控制程序，需要完成以下工作。

⑴ 初始化工作

PC調用投影儀SDK接口，將設計好的一組正弦光柵圖像按順序存儲到投影儀，并根據(jù)需要設置單張圖片的投影時間、投影間隔等參數(shù)，具體參數(shù)設置請參閱PDC03相機的參數(shù)說明書。

PC調用相機的SDK接口，設置兩臺相機的采集圖像格式（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)的欠飽和或過飽和為依據(jù)動態(tài)調整）、采集幀率（60）等，具體參數(shù)請查閱Basler相機提供的參數(shù)說明書。

⑵ 數(shù)據(jù)采集控制流程

PC調用相機SDK向投影機發(fā)送開始投影命令，投影機將定時投影結構光柵圖像序列到被測物體表面，每投影一幀圖像，將通過外觸發(fā)信號觸發(fā)兩臺相機。相機在每收到一個投影儀的外觸發(fā)信號后自動曝光并各自采集一幅圖像。序列投影完成后，每臺相機將采集到24幅圖像。

6 點云計算流程

根據(jù)四步相移法進行相位展開，獲得包裹相位圖。對橫/縱兩個方向分別運用岳慧敏時間相位展開算法，計算獲得橫/縱方向的展開相位。兩臺相機可分別獲得展開相位。利用LIU[8]的對應點查找算法，獲得兩相機圖像空間所有的匹配點對，以上各步驟的流程如圖5所示。傳入雙目相機標定參數(shù)，通過OpenCV提供的畸變矯正算法和立體匹配算法計算三維點云。

7 實驗與結論

應用以上結構光三維掃描裝置分別對標準平面和球面進行測量，測量結果及誤差分布如圖6所示。實驗數(shù)據(jù)表明：本測量系統(tǒng)的平面點云測量誤差在-0.298mm到0.172mm之間，標準誤差為0.056mm。球面點云測量誤差在-0.151mm到0.139mm之間，標準誤差為0.025mm。實驗結果表明，該實驗系統(tǒng)由于測量覆蓋范圍較小，因而具有較高的測量精度，適合于對精度要求較高的測量環(huán)境。

參考文獻（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/

[5] Z. Zhang. A flexible new technique for camera calibration[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence， IEEE Transactions on，2000.22（11）：1330-1334

[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.時間位相展開方法研究進展[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