3D視覺測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，目前的主要技術(shù)手段包括雙目立體視覺、激光掃描和結(jié)構(gòu)光掃描等，其中結(jié)構(gòu)光技術(shù)因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、精度高的優(yōu)勢(shì)而被視為未來(lái)3D視覺發(fā)展的主要方向。典型的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)由投影模塊和相機(jī)模塊構(gòu)成，通過系統(tǒng)標(biāo)定手段，獲取相機(jī)和投影儀的內(nèi)外部參數(shù)，進(jìn)而基于三角測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)精確的三維重建過程。

    結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的技術(shù)核心是其所采用的結(jié)構(gòu)光編碼和解碼方法，目前主要的結(jié)構(gòu)光編碼策略是采用正弦相移加格雷碼的方法，通過投影模塊投射的正弦相移條紋獲取局部相位編碼，進(jìn)而通過格雷碼實(shí)現(xiàn)全局的相位展開，目前絕大部分結(jié)構(gòu)光三維掃描儀采用的都是這種編碼策略。然而該方法存在的問題也非常突出，即魯棒性不足，特別是對(duì)于反射特性表面，由于所投射條紋的灰度信息受到表面反射干擾，造成灰度分布失真，嚴(yán)重影響了相位計(jì)算的準(zhǔn)確性，甚至重建失敗，實(shí)際應(yīng)用中，往往需要對(duì)反射特性表面預(yù)先噴涂顯影劑消除反射因素，因而大大制約了結(jié)構(gòu)光技術(shù)的應(yīng)用范圍。

    為了提高結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的魯棒性，研究人員先后提出了基于線位移條紋、高頻位移條紋、二值帶位移條紋等編碼方法，使得該技術(shù)的魯棒性有了顯著提升，然而對(duì)于高反射特性表面，如圖1所示的金屬薄板沖壓件，因其高度的反射特性，造成投射條紋的斷裂以及局部暗區(qū)，無(wú)法提取有效結(jié)構(gòu)光條紋信息，導(dǎo)致現(xiàn)有方法均無(wú)法直接應(yīng)用，為了解決問題，本文介紹了一種基于高動(dòng)態(tài)成像（HDR）原理的結(jié)構(gòu)光3D掃描方法，該方法的基本思想是將傳統(tǒng)的HDR成像方法應(yīng)用在結(jié)構(gòu)光圖像處理中，通過對(duì)相機(jī)響應(yīng)曲線的計(jì)算，融合不同曝光參數(shù)下的結(jié)構(gòu)光圖像，從而獲得高動(dòng)態(tài)范圍的結(jié)構(gòu)光圖像，使得過曝和欠曝光區(qū)域均能較好的成像，從而實(shí)現(xiàn)不經(jīng)噴涂處理?xiàng)l件下的高反射金屬表面直接3D掃描。

圖1當(dāng)結(jié)構(gòu)光圖像投射到金屬薄板沖壓件上時(shí)，受到其表面反射影響，造成較大的過曝和欠曝區(qū)域，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完成的3D重建

相機(jī)響應(yīng)曲線計(jì)算

    高動(dòng)態(tài)成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于圖像處理和攝影領(lǐng)域，通過不同曝光程度圖像的融合，能夠顯著提升圖像的動(dòng)態(tài)范圍，使得較亮和較暗區(qū)域均能得到較好的視覺呈現(xiàn)。假設(shè)場(chǎng)景種不存在動(dòng)態(tài)目標(biāo)，那么圖像Iij的成像過程可以描述為：

    其中f表示相機(jī)的響應(yīng)函數(shù)，Ei表示像素i的輻照度，表示相機(jī)的曝光時(shí)間，假設(shè)響應(yīng)函數(shù)f單調(diào)可逆，引入函數(shù)g=lnf-1，那么公示(1)可寫作:

    公示(2)中，像素點(diǎn)輻照度Ei和相機(jī)響應(yīng)函數(shù)g均為未知，為了恢復(fù)出正確的輻照度，我們需要預(yù)先計(jì)算出相機(jī)的響應(yīng)函數(shù)g。由于在實(shí)際圖像中，其像素的灰度值是有限的，即分布在0~255區(qū)間，理論上我們通過調(diào)整曝光時(shí)間，獲得不同曝光時(shí)間下的亮度值，可以通過最小二乘擬合策略計(jì)算出相機(jī)的響應(yīng)曲線，實(shí)際中也多采用這種計(jì)算方式。

    傳統(tǒng)的HDR方法研究中，大多處理的是自然圖像，其灰度分布范圍較廣，而對(duì)于結(jié)構(gòu)光圖像特別是二值編碼結(jié)構(gòu)光圖像，在表面反射的影響下，結(jié)構(gòu)光圖像中的灰度值比較有限，為了提高計(jì)算效率，我們采用了圖像采樣的手段，分別提取50，100，200個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算相機(jī)響應(yīng)曲線，如下圖，結(jié)果顯示即使采用50個(gè)采樣點(diǎn)，仍能較好的獲得相機(jī)響應(yīng)曲線。

圖2，不同采樣點(diǎn)數(shù)目下所獲得相機(jī)響應(yīng)曲線分布

高動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)光圖像合成

    獲得相機(jī)響應(yīng)曲線g后，每個(gè)像素點(diǎn)的輻照度值可按下式計(jì)算

    加入權(quán)值函數(shù)ω(z)后，上式可改寫為:

    通過計(jì)算所有圖像點(diǎn)可以獲得對(duì)應(yīng)響應(yīng)曲線的輻照?qǐng)D，然而輻照?qǐng)D的范圍要遠(yuǎn)大于0~255的灰度范圍，我們采用了梯度壓縮策略，在不損失局部圖像細(xì)節(jié)的前提下，將高動(dòng)態(tài)圖像轉(zhuǎn)換到普通的灰度空間。

    表示吸收函數(shù)并描述如下

    通過求解下面的泊松方程，我們就可以重構(gòu)出具有更高動(dòng)態(tài)范圍的圖像

    由于結(jié)構(gòu)光掃描過程包含了一系列的條紋圖像投射，因此造成了光照條件的變化，為了保證光照條件的一致性，我們采用了一組中度曝光結(jié)構(gòu)光圖像作為參考，對(duì)其他曝光時(shí)間的圖像進(jìn)行了后續(xù)處理，所獲取的最終HDR結(jié)構(gòu)光圖像由以下計(jì)算獲得。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，包括DLP投影儀(LGHX300G，分辨率1024×768像素)，工業(yè)相機(jī)(PointGreyFL3-U3-32S2M-CS,USB3.0,60fps，分辨率2080×1552像素),工作距離約500mm，采用了高頻二值位移條紋編碼，投射30張圖像所需時(shí)間約0.5秒。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)主要是金屬薄板沖壓件，將相機(jī)曝光時(shí)間分別設(shè)定為2ms,3ms,4ms,5ms,6ms和7ms，我們分別計(jì)算了不同曝光時(shí)間下的3D重建結(jié)果，如圖4所示，相機(jī)曝光時(shí)間較短時(shí)，圖像中存在較大的曝光不足區(qū)域，由于結(jié)構(gòu)光條紋無(wú)法成像，因此造成較大的重建缺失，對(duì)于較長(zhǎng)的曝光時(shí)間，圖像過曝區(qū)域增加，同樣也造成重建缺失，通過上述方法合成的HDR圖像中，曝光不足區(qū)域亮度有顯著提升，而過曝區(qū)域同樣可以得到較好的抑制，基本可以實(shí)現(xiàn)完整的3D重建過程。

    為了評(píng)估系統(tǒng)的重建精度，我們對(duì)其中一塊沖壓件進(jìn)行了噴涂處理，并對(duì)噴涂前和噴涂后的工件分別進(jìn)行3D掃描，對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行精度對(duì)比分析，結(jié)果顯示平均誤差約0.06mm，方差約0.08mm，最大誤差約0.45mm，較大的誤差主要出現(xiàn)在尖銳邊緣部分，主要是邊緣部分即使在較低的曝光時(shí)間下仍然對(duì)結(jié)構(gòu)光條紋造成了干擾，只有利用更低的曝光時(shí)間才能清晰還原此處的結(jié)構(gòu)光條紋圖像，但代價(jià)是需要更多的曝光參數(shù)設(shè)置，考慮到現(xiàn)有重建精度已經(jīng)可以滿足沖壓件的檢測(cè)精度指標(biāo)，因此5-6組曝光組合完全可以滿足要求，圖6給出了更多不同形狀沖壓件的3D掃描結(jié)果。

圖3.所開發(fā)的結(jié)構(gòu)光3D掃描系統(tǒng)，由DLP投影機(jī)和USB3.0工業(yè)相機(jī)組成。

結(jié)論與展望

    結(jié)構(gòu)光3D掃描技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)來(lái)自于目標(biāo)和場(chǎng)景的不確定性，造成結(jié)構(gòu)光圖像成像質(zhì)量不佳，從而影響了重建精度，我們所提出的高動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)光3D成像方法為這一問題提供了一種有效的解決方案，但多次曝光也同時(shí)顯著增加了掃描時(shí)間和數(shù)據(jù)處理量的增加，未來(lái)的研究工作中可考慮如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光圖像的場(chǎng)景自適應(yīng)性調(diào)整，在不顯著增加拍攝時(shí)間的前提下，提高掃描過程的魯棒性，從而可以滿足更多的在線3D檢測(cè)需求。