- 2019-09-11-

结构光测距基本原理

　　结构光测距是一种既利用图像又利用可控光源的测距技术。其基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取景物中的几何信息。利用光平面照射在物体表面产生光条纹，在拍摄的图像中检测出这些条纹，它们的形态和间断性，构成了物体各可见表面与相机之间的相对测度。结构光从光源的几何形状上说有点状、条状、网状等许多种。可以采用激光或白光。这种方法的突出优点是可以减少计算的复杂性，扫描速度快，量测精度高，因而在许多三维扫描系统中得到应用。这一技术特别适用于室内环境，物体表面反射情况比较好的场合。

　　如图1所示，线光源产生狭窄的激光平面(宽度小于0.4mm)，投射于被扫描物体表面，形成一条光条纹，摄像机光轴与激光投射面L成一个角度a。这样，摄像机拍摄的光条纹图像不是一条直线，其形状就反映了物体表面的形状，在一幅图像中可以算出所有位于激光照射线上的点的深度和高度。当物体以固定的角速度ω旋转一周，激光投射面L扫过物体表面，其上所有点的深度和高度信息都可以算出，如果用柱坐标系，取h轴与物体旋转轴重合，那么物体表面上每一点的极角坐标可以从ω算出。

如不特别说明，我们都以（U，V）表示以象素为单位的图像坐标系的坐标，（x，y）表示以毫米为单位的图像坐标系的坐标。在x、y坐标系中，原点定义在摄像机光轴与图像平面的交点，该点一般位于图像中心处，但实际上由于工艺制造的原因，会有些偏离，若在u、v坐标系中的坐标为（U0，V0），每一个象素在x轴与y轴方向上的物理尺寸为Sx，Sy，则图像中任意一个象素在两个坐标系下的坐标有如下关系：

摄像机成像几何关系如图2所示，其中O点称为摄像机光心，Xc轴和Yc轴与图像的x轴与y轴平行，Zc轴为摄像机的光轴，它与图像平面垂直。光轴与图像平面的交点，即为图像坐标系的原点，由点O与Xc、Yc、Zc轴组成的直角坐标系称为摄像机坐标系O/O1为摄像机焦距。

我们在环境中还选择一个基准坐标系来描述摄像机的位置，并用它描述环境中任何物体的位置，该坐标系称为世界坐标系，由Xw、Yw、Zw轴组成。摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵R与平移向量t来描述。因此，空间中某一点P在世界坐标系与摄像机坐标系下的齐次坐标如果分别是（Xw，Yw，Zw 1)T与（Xt，Yt，Zt  1)T，于是存在如下关系：

其中，R为3×3正交单位矩阵，t为三维平移向量，0=（0，0，0，)T  M2为4×4矩阵。

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