前文已針對(duì)2D傳感器進(jìn)行介紹，但由于單幅二維圖像無法獲取深度信息，因此演化出了基于TOF、雙目立體視覺和結(jié)構(gòu)光等為代表的3D視覺傳感器，廣泛應(yīng)用于三維測量領(lǐng)域。本文以面結(jié)構(gòu)光傳感器為例展開介紹。

一、系統(tǒng)組成

結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)光投射器、相機(jī)組成（單目/雙目）。結(jié)合光學(xué)增強(qiáng)系統(tǒng)輔助計(jì)算深度數(shù)據(jù)；同時(shí)可結(jié)合彩色相機(jī)實(shí)現(xiàn)與RGB數(shù)據(jù)的對(duì)齊（RGB-D）。

二、基本原理

早期結(jié)構(gòu)光方法主要使用光柵產(chǎn)生條紋圖案，但制造成本高，且易產(chǎn)生誤差難以彌補(bǔ)。目前隨著數(shù)字光處理技術(shù)(Digital Light Processing,DLP)的成熟，高精度光柵圖像投影技術(shù)有效地提升了系統(tǒng)精度及編碼能力。

1、系統(tǒng)模型

相機(jī)模型已在前文進(jìn)行講解，在此不再贅述；投影設(shè)備模型可理解為相機(jī)的反向過程，變換矩陣與相機(jī)相似。

基于系統(tǒng)模型及三角測量原理，結(jié)合設(shè)備內(nèi)外參，即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的變換與統(tǒng)一。

2、結(jié)構(gòu)光編碼

編碼結(jié)構(gòu)光將預(yù)設(shè)的編碼圖案投射到被測物表面，主要分為空間編碼法、時(shí)間編碼法兩種。

空間編碼法：向目標(biāo)投射單幅編碼圖案進(jìn)行解碼。由于只投射一幅圖像，測量速度快，適合動(dòng)態(tài)測量場景；但由于各點(diǎn)運(yùn)算與周圍鄰點(diǎn)有關(guān)，抗干擾性能較差，且解碼較為復(fù)雜。

時(shí)間編碼法：相較于空間編碼法，時(shí)間編碼法在不同時(shí)刻投射多幅圖像進(jìn)行解碼。精度、抗干擾能力更強(qiáng)，更適用于靜態(tài)下的三維物體測量。主要投射正弦相移碼和格雷碼等。

3、結(jié)構(gòu)光解碼

空間相位解包裹：在同一張相位圖中，根據(jù)某一點(diǎn)與其鄰點(diǎn)的相位差進(jìn)行解包裹（尋找最優(yōu)的解包裹相位路徑）。但各點(diǎn)運(yùn)算均與周圍鄰點(diǎn)有關(guān)，一旦存在相位混疊、噪聲等情況，將會(huì)導(dǎo)致解包裹錯(cuò)誤，且會(huì)向后傳遞產(chǎn)生“拉絲現(xiàn)象”。經(jīng)典算法有枝切法、質(zhì)量圖導(dǎo)向法等。

時(shí)間相位解包裹：通過在不同時(shí)間得到的多個(gè)不同頻率相位圖，在同一位置實(shí)現(xiàn)的相位解包裹。每個(gè)點(diǎn)的相位只與對(duì)應(yīng)多個(gè)相位圖上同位置點(diǎn)有關(guān)，因此錯(cuò)誤并不會(huì)傳遞。經(jīng)典算法有多頻法、多頻外差法等。

三、關(guān)鍵參數(shù)

以森庫萊薩iHAWK100E和a02mT030雙目結(jié)構(gòu)光設(shè)備為例。

四、相關(guān)案例

由于結(jié)構(gòu)光傳感器的高精度特性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、新零售及智慧物流等領(lǐng)域。

體積測量：采用雙目結(jié)構(gòu)光方案實(shí)時(shí)采集物體三維數(shù)據(jù)，測量可達(dá)mm級(jí)精度，穩(wěn)定性高。同時(shí)抗環(huán)境光干擾能力強(qiáng)，無需特殊照明。除標(biāo)準(zhǔn)物體外，也適用于物流中常見的黑色、不規(guī)則及大/小體積物體的測量。

拆、碼垛：對(duì)于拆、碼垛場景，對(duì)分揀機(jī)器人的視場及景深要求較高。采用雙目結(jié)構(gòu)光方案實(shí)現(xiàn)大視場、高景深三維成像的同時(shí)，可獲得mm級(jí)六自由度精確定位。

總結(jié)

以上便是針對(duì)結(jié)構(gòu)光傳感器的基本介紹，具體編解碼算法等后續(xù)單獨(dú)展開介紹。正是由于以結(jié)構(gòu)光為代表的高精度3D傳感器的存在，使得人們實(shí)現(xiàn)了三維信息的獲取和處理，也解決了工業(yè)場景下的高精度三維測量相關(guān)難題。