3D視覺測量技術(shù)的應用日益廣泛，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)簡單、速度快、精度高的優(yōu)勢而被視為未來3D視覺發(fā)展的主要方向。典型的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)由投影模塊和相機模塊構(gòu)成，通過系統(tǒng)標定手段，獲取相機和投影儀的內(nèi)外部參數(shù)，進而基于三角測量原理實現(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，進而通過格雷碼實現(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，嚴重影響了相位計算的準確性，甚至重建失敗，實際應用中，往往需要對反射特性表面預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)，無法提取有效結(jié)構(gòu)光條紋信息，導致現(xiàn)有方法均無法直接應用，為了解決問題，本文介紹了一種基于高動態(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成像方法應用在結(jié)構(gòu)光圖像處理中，通過對相機響應曲線的計算，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，從而實現(xiàn)不經(jīng)噴涂處理條件下的高反射金屬表面直接3D掃描。

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

相機響應曲線計算

高動態(tài)成像技術(shù)已廣泛應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)場景種不存在動態(tài)目標，那么圖像Iij的成像過程可以描述為：

其中f表示相機的響應函數(shù)，Ei表示像素i的輻照度，表示相機的曝光時間，假設(shè)響應函數(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，像素點輻照度Ei和相機響應函數(shù)g均為未知，為了恢復出正確的輻照度，我們需要預先計算出相機的響應函數(shù)g。由于在實際圖像中，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)整曝光時間，獲得不同曝光時間下的亮度值，可以通過最小二乘擬合策略計算出相機的響應曲線，實際中也多采用這種計算方式。

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，為了提高計算效率，我們采用了圖像采樣的手段，分別提取50，100，200個采樣點計算相機響應曲線，如下圖，結(jié)果顯示即使采用50個采樣點，仍能較好的獲得相機響應曲線。

圖2，不同采樣點數(shù)目下所獲得相機響應曲線分布

高動態(tài)結(jié)構(gòu)光圖像合成

    獲得相機響應曲線g后，每個像素點的輻照度值可按下式計算

加入權(quán)值函數(shù)ω(z)后，上式可改寫為:

通過計算所有圖像點可以獲得對應響應曲線的輻照圖，然而輻照圖的范圍要遠大于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節(jié)的前提下，將高動態(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，對其他曝光時間的圖像進行了后續(xù)處理，所獲取的最終HDR結(jié)構(gòu)光圖像由以下計算獲得。

實驗結(jié)果分析

實驗裝置如圖3所示，包括DLP投影儀(LGHX300G，分辨率1024×768像素)，工業(yè)相機(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張圖像所需時間約0.5秒。實驗目標主要是金屬薄板沖壓件，將相機曝光時間分別設(shè)定為2ms,3ms,4ms,5ms,6ms和7ms，我們分別計算了不同曝光時間下的3D重建結(jié)果，如圖4所示，相機曝光時間較短時，圖像中存在較大的曝光不足區(qū)域，由于結(jié)構(gòu)光條紋無法成像，因此造成較大的重建缺失，對于較長的曝光時間，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，基本可以實現(xiàn)完整的3D重建過程。

為了評估系統(tǒng)的重建精度，我們對其中一塊沖壓件進行了噴涂處理，并對噴涂前和噴涂后的工件分別進行3D掃描，對兩個模型進行精度對比分析，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間下仍然對結(jié)構(gòu)光條紋造成了干擾，只有利用更低的曝光時間才能清晰還原此處的結(jié)構(gòu)光條紋圖像，但代價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精度指標，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投影機和USB3.0工業(yè)相機組成。

結(jié)論與展望

結(jié)構(gòu)光3D掃描技術(shù)在工業(yè)檢測領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，其所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)來自于目標和場景的不確定性，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，但多次曝光也同時顯著增加了掃描時間和數(shù)據(jù)處理量的增加，未來的研究工作中可考慮如何實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光圖像的場景自適應性調(diào)整，在不顯著增加拍攝時間的前提下，提高掃描過程的魯棒性，從而可以滿足更多的在線3D檢測需求。