3D掃瞄?德州儀器探討結構光可能

隨著很多全新技術的湧現,人們越來越需要用3D方法來表示現實世界中的物體。特別是機器視覺和機器人技術,它們都得益於精確和自適應的3D捕捉功能。其它針對3D掃瞄的應用包括生物識別、安防、工業檢查、質量控制、醫療、牙科和原型設計。

使用DLP® 技術的結構光。(圖片來源:德州儀器)

3D掃瞄是提取一個物體的表面和物理測量,並用數字的方式將其表示出來。這些數據被採集為一個由X,Y和Z坐標(表示物體外部表面)組成的點云。對於一個3D掃瞄的分析可以確定被掃瞄物體的表面積、體積、表面形狀、外形和特徵尺寸。

一個3D掃瞄儀需要一個探針來確定到物體表面上每一個點的距離。理論上,這個探針可以是一個觸覺(物理接觸)探針。然而,很多應用需要非接觸式測量。只使用光照來探測感興趣物體的光學技術提出了針對這個問題的解決方案。其中一個方法至少採用2個攝像頭來提供立體感視覺技術,它對於計算的要求通常比較嚴格,並且對於環境光照條件很敏感。另外一個方法採用結構照明圖形,它只需一個投影儀(用於生成光圖形)以及一個單攝像頭和計算能力中等的算法。

結構光
結構光是3D掃瞄的一個光學方法,它投射出一組用數學方法構造的光圖形,按照一定順序照亮被測量的物體。一個到投影儀的距離已知的攝像頭同步捕捉一組被照亮物體的圖像。相對於用於校準的平面基準表面,攝像頭看到的圖形被經掃瞄物體的表面形狀所扭曲。幾何三角剖分的原理使得計算被掃瞄物體表面上每個點的XYZ坐標成為可能(見圖01)。然後,獲得的點云數據用於被掃瞄物體表面詳細3D模型的計算構造。

可編程圖形結構光
可編程圖形掃瞄儀使用具有數字空間光調製器(SLM)的激光或LED光源將一系列圖形投射到物體表面上。通過使用多個圖形,一個可編程結構光掃瞄儀能夠獲得更高的準確性,並且能夠根據環境光照條件、物體表面,以及物體光反射特性來改變圖形。

由於可編程圖形結構光需要顯示多個圖形,空間光調製器就成為此類掃瞄儀的一個關鍵組件。目前市面上有多項空間光調製技術,其中包括德州儀器(TI)DLP®技術,特別是DLP6500和DLP9000芯片組。  

不同的結構光掃瞄算法要求SLM能夠產生二級制或灰度圖形中的一種,或者能夠產生這兩種圖形。高對比度圖形有助於在處理不斷變化的物體反射率和環境光條件時儘可能提高準確度和運轉可靠耐用性。由於尺寸、冷卻和電池要求,系統設計將光通量和能效視為重中之重。

目前有很多對3D結構光圖形進行優化的技術。其中一個特別有效的方法就是自適應圖形集。算法確定了圖形與波長的最佳組合,以提高被掃瞄物體的分辨率。根據物體的顏色,可以選擇多變的顏色(光的波長)。自適應圖形提高了對表面質地複雜或者不連續的物體的掃瞄能力。

設計考慮
在設計可編程結構光解決方案時,有幾個重要的設計注意事項。被測量物體的尺寸和距離以及3D測量所要求的空間精度決定了所需的空間光調製器和圖形捕捉攝像頭的性能特性。SLM分辨率(像素數量)和掃瞄場尺寸(像素/mm)決定了可實現的精度。攝像頭的分辨率必須足夠大,根據採樣定理,通常情況下,應該至少為SLM像素密度的四倍。

掃瞄期間,任何的物體運動會使數據模糊不清,從而降低測量精度。為了實現所需的3D精度等級,物體運動的越快,就必須越快速地執行一個完整掃瞄。越快的掃瞄需要更快速的空間光調製器和幀捕捉速率更高的攝像頭,而亮度更高的圖形照明也會對快速掃瞄有所幫助。在不同的3D測量系統中,也許需要從每秒數次到最高每秒數百次的圖形速率。

結論
機器和機器人視覺與其它3D應用正在使智能機器的能力越來越強。3D掃瞄隨著全新技術和算法的發展不斷進步。隨著處理和傳感器功能的不斷增強,而它們的成本逐漸走低,這些全新技術使終端用戶有了更大的選擇空間。採用結構光的主動、非接觸式3D掃瞄系統為用戶提供獨特的優勢,不過必須根據特定的應用需求對這些系統進行評估。

作者Pedro Gelabert博士V. Pascal Nelson,德州儀器 (TI)


參考文獻
Geng, Jason:結構光3D表面成像:教程
Koninckx, Thomas P.和Gool, Luc Van:由自適應結構光實現的實時範圍採集



 

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