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结构光3D扫描原理总结
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  布局光 3D 扫描道理总结 可挪动式布局光三维扫描技巧 常睹的可挪动式三维扫描技巧能够通过空间布局光编码、视频和激光等技巧计划杀青 布局光编码措施中惟有空间编码能够杀青可挪动式三维扫描,但精度和折柳率不敷高;基 于视频式样易于杀青,桎梏要求少,但获取的三维音信有限,众实用于筑立物等大型场景, 看待小物体细节描绘的效益不敷好。激光三维扫描仪是较理念的处置计划,但慷慨的价 格限制了其普及的水平。 因为扫描仪视角范畴的缘由,大片面体系都是只发生了物体某一片面的三维模子。得到 完全模子时时必要盘旋物体或者盘旋扫描仪,做众次扫描。获得众个视角的三维模子后, 再通过 RapidForm 品级三方软件杀青众视角模子的配准,获得完全的模子。如此的治理 很费时,自愿化水平低。 基于年光一空间夹杂布局光编码措施的可挪动式三维模子获取技巧。该技巧贯串了时 间编码正在精度上的上风和空间编码正在治理动态物体扫描上的上风,给出了亚像素级此外 解码算法,并愚弄三角测距法从差别角度得到物体的三维模子。 研讨了众角度模子的 ICP 配准技巧。该技巧将第二片面得到的众角度模子通过 ICP 配 准算法急迅自愿拼接成完全的模子并实行烘托。 空间布局光编码技巧对投影出的布局光做编码,然后搜聚图像实行解码,贯串事先标定好 的筑筑外里参数通过三角测距法得到物体的三维音信。视频联系技巧愚弄视频中包括 的图像序列的特征以及被扫描物体自身的个性得到三维模子,众用于筑立物等场景的三 维音信获取。激光三维扫描技巧愚弄激光发射和反射的年光差来盘算物体的深度音信, 结果精准,天生模子的速率较速。 存正在的题目: 开始,存正在技巧和本钱上的挑拨。空间布局光编码措施精度和折柳率不敷高,且哀求物体 外貌布局不行有太众突变,不然会惹起重要的遮挡,形成解码舛讹;基于视频的措施获取 的三维音信有限,众实用于筑立物等大型场景,看待小物体细节描绘的效益不敷好。激光 扫描仪是目前对照理念的处置计划,速率速精度高,但慷慨的价值限制了其普及的水平。 采用年光一空间夹杂编码,使得每 4 帧图案组成一个序列,投影图案中每一个点正在序列中 都有独一的编码,避免认识码时必要面临的二义性; 搜聚到包括投影图案的图像后,本文给出了一个亚像素级精度的鸿沟识别计划。该计划 愚弄照片中一条扫描线内灰度值蜕化的顺序,避免了全部二值化带来的影响,识别精度达 到了亚像素级别,其正在功用上和精度上的上风包管了后续三维重构的精准性;因为承诺被 扫描物体正在扫描进程中运动,于是对一个系列中图像的识别出的鸿沟实行成家不再是一 个简略的题目。为了包管体系的功用,本文正在鸿沟配准时假设每条鸿沟都和相邻迩来的 一条鸿沟成家,给出了一个简略高效的成家算法;将识别后的数据贯串标定好的扫描仪内 部参数和外部参数,愚弄三角测距道理实行三维重构。正在三维重构时对用户感趣味区域 (ROI、点云的深度范畴实行设定,同时愚弄点云的本质实行了简略的去噪,有助于模子的 精准配准)。 模子配准方面,采用了扫描点云数据配准方面的经典算法逐一迩来点迭代算法(ICP),对 重筑后的物体差别片面的模子实行配准,得到物体完全的三维音信。凭据体系的本质需 要对 ICP 算法做了编削,通过微切面法盘算每个点的法向量,正在此根柢进步行迭代盘算。 能正在较短年光内配准好差别视角获取的模子。 三维样子获取筑筑,如 FastScan, InSpeck 可挪动式三维样子获取技巧 1. 基于视频的三维重筑技巧 众用于两个方面,分手是基于视频的筑立物和场景重筑和基于视频的运动拘捕。 基于视频的三维样子获取措施正在对大型场景方面能够餍足用户的必要,但对体 积较小的物体,更加是缺乏相仿筑立物的清楚几何特色的小物体,很可贵到令人惬心 的结果,而正在运动样子获取方面的联系研讨则对更众闭心物体运动的进程而非物体 自身。 2. 基于激光的三维重筑技巧 激光三维扫描仪是可挪动式三维样子获取方面操纵较众的技巧计划。激光三维 扫描技巧首要采用脉冲测距法实行三维扫描。扫描仪中包括一个激光二极管和光电 二极管给与器。当扫描起初时,向物体发射近红外波长的激光束。激光投射到物体 外貌后发作漫反射,片面反射的激光会被给与器给与到。扫描中还配置了一个年光 丈量单位,记实了激光从扫描仪到物体再反射回扫描仪的年光。凭据此年光差,能够 盘算扫描仪和物体间的间隔,据此克复出物体的三维音信。 因为激光自身具有单色性、高亮度、全天候等的特征,激光三维扫描仪通常可 以杀青高精度的扫描,而且能够胜任对物体三维音信动态获取职责,而其自身属于非 接触式三维扫描,相较于古板的接触式测绘措施对被扫描物体的物理损害较少。 限制激光三维扫描技巧普及的首要身分是其慷慨的本钱。主流的激光三维扫描 仪和配套的筑模软件时时售价高达一套数十万公民币,对通常的研讨机构和中小公 司较难承袭。 3. 基于布局光编码的三维重筑技巧 布局光编码首要指对投射到物体外貌的图案实行编码,通过对包括布局光编码的照 片实行解码和三维重构,获取物体的三维音信。 从大类上布局光编码能够分为年光编码,空间编码和直接编码。 编码时,既能够对图案上的每个点实行编码,也能够只对某个偏向(如 Y 偏向)实行编 码。前者正在实行三维重构时只需愚弄线与线订交实行解码,后者则必要愚弄面线订交进 行解码。个中空间编码和直接编码众采用前者,而年光编码众采用后者。年光编码通常 只可做静态扫描,空间编码能够实行可挪动式扫描,直接编码通常只可实行静态扫描,编 码息争码的进程较繁杂,本质使用较少。 格雷码贯串相移码式样是年光编码中的代外技巧之一。能够获得照片中像素点和 投影空间点的对应干系,愚弄三角测距道理对数据实行三维重筑克复,同时对模子中的每 一点绘制纹理,得到了精度较高的三维点云数据。 空间编码: 空间编码愚弄了投影图案中每个点和相部点的干系实行编码,因为正在单次获取过 程里不依赖其他投影图案,于是能够较好治理动态扫描的题目。凭据空间相连干系编码 能够分为三类:非样子化编码战术,是打算者凭据直觉天生编码;基于 DeBruijn 序列的编 码战术,操纵伪随机序列外面;基于 M 一数组的编码战术,是伪随机序列外面正在二维要求 下的扩展。 非样子化编码战术将一个整幅的编码分成若干个区域,每个区域包括差别的编码信 息,其它不操纵任何数学外面和措施。Dodle 等[l2]打算了一种编码序列,采用灰度值分 别为。,128,255 三种颜色,按必定按次对像素编码。一切的条纹以该按次反复呈现。解 码时通过寻找肇端点和特定编码组合的地点,实行解码,得到三维音信。Ito 和 Ishiill3]的 空间编码计划中采用三种颜色对每个点实行编码,编码准则是任一点和上下支配相连的 点的颜色差别,解码时愚弄邻域内的音信对每一点解码。因为承诺反复编码存正在。当重 复编码呈现时,必要贯串相机和投影仪间的干系来辅助识别。因为非样子化战术编码一 般都没有从外面上提出编码的天生措施,编码的得到很大水平上源于作家的直觉,于是正在 外面研讨上缺乏一般意旨。 De Bruijn 编码是一种常睹的空间编码式样。简略来说,DeBruijn 序列是一个正在由 n 个符号构成的字母外上天生的餍足必定要求的字符串。因为该字母外的长度通常大于 2,于是是非图案无法餍足哀求,故众采用彩色编码。Monk 等[14]打算了一种基于水准彩 色条纹的编码式样。一共操纵了 6 种颜色。正在解码阶段,必要面临图片中的色条缺失的 题目。为了确切识别照片中条纹的地点,必需愚弄相邻条纹的音信。此措施正在识别人脸 样子方面博得了不错的结果。 将伪随机序列外面扩展到二维,就能获得 M-数组编码战术。Griffin 等给出了一个正在 长度为 4 的字母外上天生的 M 一数组,Hsieh 提出了该算法的解析解码进程,完结了扫数 三维音信获取流程。和 DeBruijn 编码相仿,字母外的长度使得杀青编码时常时必要众种 颜色。 年光编码式样编码息争码相对简略,正在解码时较容易杀青高精度像素点识别,但编码 自身的局部使得该类措施无法对物体进举动态三维扫描。空间周围编码对每个像素进 行编码时必要商讨其周围像素点,这种措施实用于动态获取物体外貌的三维音信。不过, 这种编码战术的解码进程存正在很众难点,例如扫描中极少遮挡干系或者暗影,使得某些点 的编码音信不行确切的得到,形成解码舛讹。因而空间周围编码战术时时仅限于扫描外 面蜕化平缓的物体。 年光一空间夹杂编码一方面愚弄了获取精度较高甜头,同时也归纳了空间编码中可 以获取动态物体样子的甜头。 Szymon Rusinkiewicz 编码式样:。该计划通过穷举法给出了一个包括 110 条是非 条纹的编码计划。通过对是非条纹的鸿沟(共 111 条)正在一个 4 帧图案序列中给出独一 的编码。基于此解码并实行三维重构,结尾通过 ICP 算法将单帧模子配准起来。该计划 较好的处置了物体三维样子的动态急迅获取题目。 点云配准技巧: 凭据三维重构天生的点云模子时时只可阐扬物体的个人角度的特色。要得到完全的物 体模子,必要对物体实行差别角度的三维重构,再将获得的模子实行配准。 常睹的配准措施有以下三种。一是标定物体的运动进程。正在实行扫描时采用 转台是此类措施中的样板代外。正在实行扫描前不光要标定相机和投影仪,还必要 标定转台。正在获得差别角度的模子后,贯串标定好的转台数据,将模子实行配准。 首要甜头是杀青对照简略;首要坏处是弥补了标定的职责量,同时配准的精度受 转台自身精度和标定精度的双重影响。 二是设定符号物。因为符号物是固定的,只须包管正在搜聚到的图片中符号物永远可睹,通 过差别角度模子间符号物的变换盘算扫数模子的变换矩阵。首要甜头是对照容易杀青, 同时获得变换矩阵的速率也较速;首要坏处是物体上符号物掩盖的片面不行被扫描到,同 时,某些境况很难正在物体外貌配置符号物(如文物、器官等)。 三是采用自愿配准算法。自愿性高,联系桎梏要求较少等甜头使得该类措施称为点云配 准技巧中使用最广的措施之一。 。自愿性高,联系桎梏要求较少等甜头使得该类措施称为点云配准技巧中使用最广的方 法之一。K.s.Arun 等一经提出一种愚弄最小二乘法配准两个点云模子的算法。通过比 较蹊跷值阐明法(SVD)、四元数法(Quatemion)和迭代法(fterative)对照求解最小二乘的 功用和精度。实行结果说明,蹊跷值阐明法和四元数法正在功用上更优,但迭代法的结果更 加精准。正在模子配准的迭代法中,迩来点迭代法(IeP,IterativeelosetPoints)是最常用的 经典算法之一。该算法开始给出两个模子间的初始变换,同时选取若干对应样本点,通过 迭代一向缩小指定的偏差器度盘算模子间的变换,正在模子间的变换不是很大时,配准的效 果和功用都很好。 ICP 算法 IcP 算法最早由 Besl 和 McKay[l9]提出,现正在依然成为三维模子配准方面的最常操纵的 算法之一。该算法开始给出两个模子间的初始变换,同时选取若干对应样本点,通过迭代 一向缩小指定的偏差器度来盘算模子间的变换矩阵。szymonRusinkie 初 cz 和 MareLevoy[z0]一经对 IcP 措施做过一个注意的分阶段证据和功用了解。他们以为 ICP 算法通常能够阐明为 6 个阶段: 1. 正在待配准的两个模子间选取对应样本点。能够采用选取一切样本点,随机选取样本 点或者匀称选取样本点等措施。 2.将一个模子上的样本点和另一个模子上的样本点做配对。通过指定的措施配 对迩来的一个样本点。 3.对配对后的点对赋权值。赋权的准则有良众选取,能够凭据点对的间隔或者 点对间的法向量的干系配置权重,也能够赋常值权重。 4.配置全部尺度过滤配准点对。 5.配置点对偏差器度。能够选取点到点的间隔,也能够选取点到平面的间隔等偏差器度。 6.迭代对偏差最小化,能够通过最小二乘法等措施杀青偏差最小化。 采用 Olaf Hall-Holt 和 Szymon Rusinkiewicz 提出的年光-空间夹杂 编码,每 4 帧为一个编码周期,通过缩短搜聚图像、治理图像、条纹识别、体系 解码、三维重构以及模子配准的周期来提升模子获取的功用,加强了用户和体系 的交互性,节减了扫描进程中对被扫描物体的桎梏。 为每个点正在差别时候授予差别的颜色,比方玄色或者白色,使得正在编码的 4 帧序列里每条 条纹的鸿沟上的每个点正在任何时候都有己方独一的编码。 编码天生的全部措施。首要是通过将编码和图论闭联起来,通过寻找图中的最长途径来 天生编码。 天生的编码承诺差别帧投影图案之间物体有位移存正在的,于是拍摄获得的照片的体系解 码成』为三维重构前的紧急片面。 体系解码首要网罗鸿沟识别(Reeognition)和鸿沟配准(Matehing)以及序列解码 (neeoding)片面。 识别首要是从照片中识别一切是非条纹鸿沟. 成家首要是将识别后的编码和前一帧的编码里肖似地点的编码成家起来; 解码首要是将颠末配准的编码从编码外中的地点识别出来,获得该编码正在投影图案中的 纵坐标,用于三维重筑. 1. 鸿沟识别 编码后的图案是是非条纹,鸿沟识别即选出是非条纹间的鸿沟。一种对照直观 的做法是先将获得的图片先转为灰度图片,然后设定全部阂值几,对全图实行二值化, 灰度值大于阂值的为 1,反之取 O。然后寻找是非条纹的接壤处,记实该点的地点,可 以取玄色和白色点的中点博得亚像素坐标值。 亚像素级别鸿沟识别 VS+OpenCV+OpenGL+trimesh2 库(ICP 配准算法)