結(jié)構(gòu)光三維表面成像：一個(gè)教程1
結(jié)構(gòu)光三維表面成像：一個(gè)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）；介紹了全空間顏色變化圖案，條紋索引，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(jià)，照相機(jī)和投影儀校正技術(shù)
6 三維表面成像系統(tǒng)的性能評價(jià)
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(gè)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。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(shí)際尺寸的真實(shí)最大偏差。 很多時(shí)候，由于系統(tǒng)的固有設(shè)計(jì)特性，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。此外，不同的制造商可能會(huì)使用不同的方式來表征準(zhǔn)確度。 例如，有些可能會(huì)使用平均（平均）誤差，不確定性，誤差，RMS或其他統(tǒng)計(jì)值。 因此，在比較不同的系統(tǒng)時(shí)，必須理解任何性能聲明的確切含義，并在相同的框架中進(jìn)行比較。
（2）解析度。 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(gè)點(diǎn)或線條的能力。 類似地，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。 但是，在3D成像社區(qū)中，術(shù)語“圖像分辨率”有時(shí)也表示系統(tǒng)能夠在單個(gè)幀中獲得的測量點(diǎn)的最大數(shù)量。 例如，640×480像素的3D傳感器可能能夠?yàn)閱未尾杉?07,200個(gè)測量點(diǎn)。 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。 采集速度對于移動(dòng)物體（如人體）的成像非常重要。 對于單發(fā)(Single-shot)三維成像系統(tǒng)，幀頻表示它們能夠在短時(shí)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，還有另一個(gè)需要考慮的問題：在進(jìn)行順序采集時(shí)物體正在移動(dòng); 因此，所獲得的全幀3D圖像可能不表示在單個(gè)位置處的3D對象的快照。 相反，它變成了在不同時(shí)間點(diǎn)獲得的測量點(diǎn)的集成; 因此3D形狀可能與3D對象的原始形狀失真。 采集速度和計(jì)算速度之間還有另一個(gè)區(qū)別。 例如，某些系統(tǒng)能夠以30幀/秒的速度采集3D圖像，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)。
除了主要的性能指標(biāo)之外，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(gè)特定方面。例如，三維成像系統(tǒng)的深度是一個(gè)范圍，它指的是可以獲得精確的3D測量的一系列距離。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，測量精度、分辨率和速度）。
視野、基線和距離的距離也可以用來描述3D成像系統(tǒng)。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，而依賴于單激光掃描的飛行時(shí)間傳感器可以達(dá)到數(shù)英里的距離。
每種類型的3D成像技術(shù)都有它自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，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(gè)系統(tǒng)。
7 照相機(jī)和投影儀校正技術(shù)
三維成像技術(shù)的一個(gè)重要組成部分是相機(jī)和投影儀的校準(zhǔn)技術(shù)，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(jī)標(biāo)定是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)眾所周知的問題。然而，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、研究和應(yīng)用文章中都沒有得到足夠的重視。
由于大多數(shù)3D成像系統(tǒng)使用2D光學(xué)傳感器，相機(jī)校準(zhǔn)程序建立了2D圖像上的像素（相機(jī)坐標(biāo)）與物體點(diǎn)所在的3D空間（世界坐標(biāo)）中的直線之間的關(guān)系，并且考慮拍攝鏡頭失真。 通常，使用簡化的相機(jī)模型和一組內(nèi)部參數(shù)來表征關(guān)系。 有幾種方法和相應(yīng)的工具箱可用[47-49]。這些程序通常需要幾個(gè)角度和一個(gè)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，因?yàn)樗闹谱鞣浅：唵?，可以用?biāo)準(zhǔn)的打印機(jī)打印出來，并且有很容易被檢測到的獨(dú)特的角點(diǎn)。圖24顯示了一個(gè)包含此類圖案的示例圖像。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。
7.1 相機(jī)校準(zhǔn)算法
這里不贅述了，直接貼原圖了。
7.2 投影儀校正
投影機(jī)的校準(zhǔn)有兩方面：作為有源光源，需要校準(zhǔn)投影機(jī)的強(qiáng)度以恢復(fù)其照明強(qiáng)度的線性度，并且作為反相機(jī)，它需要像普通相機(jī)一樣進(jìn)行幾何校準(zhǔn)。
7.2a 標(biāo)定投影儀強(qiáng)度(Intensity Calibration of Projector)
為了增強(qiáng)對比度，投影機(jī)的強(qiáng)度曲線通常由投影器的伽瑪變換改變。當(dāng)在三維成像系統(tǒng)中作為主動(dòng)光源使用時(shí)，需要校準(zhǔn)來恢復(fù)照明強(qiáng)度的線性度。為了做到這一點(diǎn)，我們將投射出幾種測試圖案，并通過成像傳感器捕獲投影圖案?？梢越⑼队皥D案的實(shí)際強(qiáng)度與圖像像素值之間的關(guān)系，然后再配上高階多項(xiàng)式函數(shù)。然后計(jì)算出逆函數(shù)，并用于修正在三維成像過程中投射的模式（圖25）。
7.2b 投影儀的幾何校正(Geometric Calibration of Projector)
將投影機(jī)視為逆相機(jī); 投影機(jī)的光學(xué)模型與相機(jī)相同，它們之間的唯一區(qū)別是投影方向。 由于我們無法知道3D空間中的給定點(diǎn)將投影到逆相機(jī)中的哪個(gè)位置，所以逆模型使得將2D圖像上的像素（在相機(jī)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。 投影儀校準(zhǔn)中的關(guān)鍵問題是如何建立對應(yīng)關(guān)系。 一旦建立對應(yīng)關(guān)系，就可以使用攝像機(jī)標(biāo)定算法對投影機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。
投影機(jī)校準(zhǔn)通過使用預(yù)校準(zhǔn)攝像機(jī)和校準(zhǔn)平面進(jìn)行。 首先，在相機(jī)坐標(biāo)系中恢復(fù)校準(zhǔn)平面。 然后，校準(zhǔn)圖案（圖26）由相機(jī)投影并捕捉。 由于攝像機(jī)和平板之間的空間關(guān)系已經(jīng)恢復(fù)，可以通過將拍攝圖像上的角點(diǎn)重新投影到平板上來確定在校準(zhǔn)平面上形成的棋盤圖案的角點(diǎn)的3D協(xié)調(diào)。 最后，可以使用所獲取的點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系來校準(zhǔn)投影儀。 這種方法在理論上是直接的，并且相對容易實(shí)現(xiàn)。 但是，這些方法的校準(zhǔn)精度在很大程度上取決于相機(jī)預(yù)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。
