- 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。其基本思想是利用光源中的几何信息来帮助提取场景中的几何信息。利用光平面照射物体表面产生光条纹，在拍摄图像中检测到这些条纹。它们的形状和不连续性构成了物体可见表面和相机之间的相对尺度。结构光有很多种，如点、条、网等。可以使用激光或白光。该方法的突出优点是可以降低计算复杂度、快速扫描和精确测量，因此已经应用到许多三维扫描系统中。该技术特别适用于室内环境下物体表面较好的反射情况。

　　如图1所示，线光源产生窄的激光平面（宽度小于0.4mm），投影在待扫描物体的表面上，形成光条纹，并且摄像机的光轴与激光投影表面L形成角度A。相机拍摄的光条纹图像不是直线，它的形状反映了物体表面的形状。在一幅图像中，可以计算出激光辐射上所有点的深度和高度。当物体以固定角速度ω旋转一个圆时，激光投影面l扫掠物体表面，计算出物体表面上所有点的深度和高度信息。如果H轴与圆柱坐标系中物体的旋转轴重合，那么物体表面上的每个点的极坐标可以由ω计算

计算机视觉系统从摄像机获取的图像出发，计算出物体在三维环境中的位置、形状等几何信息，然后对环境中的物体进行重构和识别。图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某一点反射光的强度，图像上该点的位置与空间物体表面上相应点的几何位置有关。这些位置之间的关系由摄像机成像几何模型决定。几何模型的参数称为摄像机参数，必须通过实验和计算来确定。实验和计算的过程称为摄像机标定。相机模型是光学成像几何关系的简化。本节介绍一个相对简单的模型-线性模型或销孔模型1。

（1）图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系

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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