結(jié)構(gòu)光三維表面成像：一個教程1
結(jié)構(gòu)光三維表面成像：一個教程2

上文分別對三維表面成像系統(tǒng)做了簡介，介紹了順序投影技術(shù)（教程1）库继；介紹了全空間顏色變化圖案宪萄，條紋索引拜英，網(wǎng)格索引（教程2）

本文將介紹三維表面成像系統(tǒng)的性能評價居凶，照相機和投影儀校正技術(shù)

6 三維表面成像系統(tǒng)的性能評價

三維表面成像系統(tǒng)的技術(shù)性能有很多因素。從應(yīng)用的角度來看，以下三個方面經(jīng)常被用作評估三維成像系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：

（1）準(zhǔn)確性谷暮。測量精度表示由3D表面成像系統(tǒng)獲得的測量值與3D物體實際尺寸的真實最大偏差湿弦。 很多時候颊埃，由于系統(tǒng)的固有設(shè)計特性班利，3D成像系統(tǒng)在不同的(x,y,z)方向上可能具有不同的精度罗标。此外，不同的制造商可能會使用不同的方式來表征準(zhǔn)確度宙拉。 例如谢澈，有些可能會使用平均（平均）誤差崔步，不確定性灶似，誤差酪惭，RMS或其他統(tǒng)計值砌创。 因此嫩实，在比較不同的系統(tǒng)時，必須理解任何性能聲明的確切含義晃洒，并在相同的框架中進(jìn)行比較。
（2）解析度吃引。 在大多數(shù)光學(xué)文獻(xiàn)中，光學(xué)分辨率被定義為光學(xué)系統(tǒng)區(qū)分圖像中各個點或線條的能力。 類似地旭愧，3D圖像分辨率表示3D成像系統(tǒng)可以解析的物體表面的最小部分议泵。 但是，在3D成像社區(qū)中，術(shù)語“圖像分辨率”有時也表示系統(tǒng)能夠在單個幀中獲得的測量點的最大數(shù)量谐宙。 例如垢箕，640×480像素的3D傳感器可能能夠為單次采集生成307,200個測量點茅姜。 鑒于視野，偏離距離和其他因素，這兩種圖像分辨率的定義可以相互轉(zhuǎn)換。
（3）速度计维。 采集速度對于移動物體（如人體）的成像非常重要实抡。 對于單發(fā)(Single-shot)三維成像系統(tǒng)赏淌，幀頻表示它們能夠在短時間間隔內(nèi)重復(fù)全幀采集。 對于順序3D成像系統(tǒng)（例如，激光掃描系統(tǒng)），除了幀速率之外票罐，還有另一個需要考慮的問題：在進(jìn)行順序采集時物體正在移動; 因此疗杉，所獲得的全幀3D圖像可能不表示在單個位置處的3D對象的快照。 相反蚕礼，它變成了在不同時間點獲得的測量點的集成; 因此3D形狀可能與3D對象的原始形狀失真烟具。 采集速度和計算速度之間還有另一個區(qū)別。 例如奠蹬，某些系統(tǒng)能夠以30幀/秒的速度采集3D圖像朝聋，但這些采集的圖像需要以較慢的幀速率進(jìn)行后處理以生成3D數(shù)據(jù)。

Fig. 23

除了主要的性能指標(biāo)之外腊尚，幾乎沒有無限的性能指標(biāo)可以用來描述3D成像系統(tǒng)的各個特定方面。例如消玄，三維成像系統(tǒng)的深度是一個范圍跟伏，它指的是可以獲得精確的3D測量的一系列距離丢胚。最終，這些類型的系統(tǒng)屬性將反映在主要性能索引上（例如受扳，測量精度携龟、分辨率和速度）。

視野勘高、基線和距離的距離也可以用來描述3D成像系統(tǒng)峡蟋。由于光投射的能量有限，結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)通常有有限的距離华望，而依賴于單激光掃描的飛行時間傳感器可以達(dá)到數(shù)英里的距離蕊蝗。

每種類型的3D成像技術(shù)都有它自己的優(yōu)點和缺點，我們應(yīng)該根據(jù)它對預(yù)期應(yīng)用程序的整體性能來判斷一個系統(tǒng)赖舟。

7 照相機和投影儀校正技術(shù)

三維成像技術(shù)的一個重要組成部分是相機和投影儀的校準(zhǔn)技術(shù)蓬戚，它在建立三維成像系統(tǒng)的測量精度方面起著至關(guān)重要的作用。相機標(biāo)定是計算機視覺領(lǐng)域的一個眾所周知的問題宾抓。然而子漩，令人驚訝的是，3D成像技術(shù)的這一關(guān)鍵方面在許多3D成像技術(shù)評論石洗、研究和應(yīng)用文章中都沒有得到足夠的重視幢泼。

由于大多數(shù)3D成像系統(tǒng)使用2D光學(xué)傳感器，相機校準(zhǔn)程序建立了2D圖像上的像素（相機坐標(biāo)）與物體點所在的3D空間（世界坐標(biāo)）中的直線之間的關(guān)系讲衫，并且考慮拍攝鏡頭失真缕棵。 通常，使用簡化的相機模型和一組內(nèi)部參數(shù)來表征關(guān)系涉兽。 有幾種方法和相應(yīng)的工具箱可用[47-49]招驴。這些程序通常需要幾個角度和一個已知校準(zhǔn)對象的距離。平面棋盤格是一種常用的校準(zhǔn)對象花椭，因為它的制作非常簡單忽匈，可以用標(biāo)準(zhǔn)的打印機打印出來，并且有很容易被檢測到的獨特的角點矿辽。圖24顯示了一個包含此類圖案的示例圖像丹允。從校準(zhǔn)模式的圖像中，構(gòu)造了二維和三維的對應(yīng)關(guān)系袋倔。

Fig. 24

7.1 相機校準(zhǔn)算法

7.2 投影儀校正

投影機的校準(zhǔn)有兩方面：作為有源光源宾娜，需要校準(zhǔn)投影機的強度以恢復(fù)其照明強度的線性度批狐，并且作為反相機，它需要像普通相機一樣進(jìn)行幾何校準(zhǔn)。

7.2a 標(biāo)定投影儀強度(Intensity Calibration of Projector)

Fig. 25

7.2b 投影儀的幾何校正(Geometric Calibration of Projector)

將投影機視為逆相機; 投影機的光學(xué)模型與相機相同秘豹，它們之間的唯一區(qū)別是投影方向携御。 由于我們無法知道3D空間中的給定點將投影到逆相機中的哪個位置，所以逆模型使得將2D圖像上的像素（在相機坐標(biāo)中）與3D空間中的直線（世界坐標(biāo)）坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)的問題變得困難憋肖。 投影儀校準(zhǔn)中的關(guān)鍵問題是如何建立對應(yīng)關(guān)系因痛。 一旦建立對應(yīng)關(guān)系，就可以使用攝像機標(biāo)定算法對投影機進(jìn)行標(biāo)定岸更。

Fig. 26