歐建良，周樂恒，陳奎佑，連佳琪，周婷英

摘? 要：激光掃描技術(shù)，從室內(nèi)外地面架站到無人機(jī)機(jī)載，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在國土資源測(cè)量及基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)各方面，具有實(shí)時(shí)生成三維數(shù)據(jù)、對(duì)作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性要求高的特點(diǎn)。相比于激光掃描，結(jié)構(gòu)光具有帶狀面陣同步觀測(cè)能力，能降低自身移動(dòng)振動(dòng)對(duì)觀測(cè)質(zhì)量的干擾，但在室外環(huán)境作業(yè)方面受限明顯。對(duì)此，在已有算法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)改進(jìn)單線結(jié)構(gòu)光投線儀，取得了“白天室外70米距離上投影線三維提取”的技術(shù)進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；室外環(huán)境；結(jié)構(gòu)光；投影線增強(qiáng)

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-5603（2023）03-105-04

Research on Outdoor Projection and Imaging with Single Projection Contour Structured-light

Ou Jianliang1，Zhou Leheng2， Chen Kuiyou1，Lian Jiaqi1，Zhou Tingying1

（1.College of Civil Engineering， Yango University， Fuzhou Fujian 350015;

2.College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou Fujian 350116）

Abstract： Laser scanning technology （LiDAR）， ranging from indoor and outdoor surface stations to unmanned aerial vehicles， has been widely used in various aspects of land and resource measurement and infrastructure detection. It has the characteristics of real-time generation of three-dimensional data and high stability requirements for the work platform. Compared to laser scanning， structured-light has the ability to synchronously observe with a strip array， which can reduce the interference of its own moving vibration on the observation quality. However， it is significantly limited in outdoor environmental operations. In this regard， based on the existing algorithms， this article designs and improves a single contour structured-light projector， achieving technological progress in "3D extraction of projection contours at a distance of 70 meters outdoors during the day".

Keywords： LiDAR; outdoor environment; structured-light; projection contour enhancement

0 引言

激光雷達(dá)（light detecting and ranging， LiDAR）不依賴目標(biāo)表面紋理特征，通過點(diǎn)掃描獲取目標(biāo)高密度三維點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維測(cè)量，以室內(nèi)外地面架站與無人機(jī)搭載等方式，廣泛應(yīng)用在國土資源測(cè)量及基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)各方面[1-3]。由于LiDAR以激光束穩(wěn)定有效發(fā)射接收為基礎(chǔ)，以及表面掃描需一定時(shí)間，對(duì)表面光滑平整、反射率較高物體的掃描效果很好，而對(duì)地表植被、堤壩邊坡等削弱反射能力的情況，實(shí)際測(cè)量能力顯著降低[4，5]。當(dāng)LiDAR在車載、無人機(jī)連續(xù)移動(dòng)平臺(tái)上作業(yè)時(shí)，則因?yàn)楣馐鴴呙璧臅r(shí)序性特點(diǎn)，受平臺(tái)動(dòng)態(tài)干擾產(chǎn)生點(diǎn)云丟失、整體精度降低等問題。

與激光雷達(dá)LiDAR不同，結(jié)構(gòu)光測(cè)量將動(dòng)態(tài)光學(xué)特征與瞬間靜態(tài)二維圖像相結(jié)合，具有投射特征精確提取、二維圖像消減動(dòng)態(tài)時(shí)序干擾等特點(diǎn)[6-8]，其基本工作模式為：立體圖像測(cè)量中，以一定投影模式（如光刀）光學(xué)投射代替一個(gè)像機(jī)，對(duì)成像特征標(biāo)定約束后，再以攝像方式解算待測(cè)對(duì)象表面投影特征的三維坐標(biāo)[6-9]。結(jié)構(gòu)光測(cè)量一直是實(shí)驗(yàn)力學(xué)和光測(cè)領(lǐng)域的研究前沿，當(dāng)被觀測(cè)對(duì)象難以通過攝影測(cè)量、激光掃描有效工作時(shí)，該模式還能獲得穩(wěn)定高質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果[10-15]。但受具體算法和工作模式限制，結(jié)構(gòu)光測(cè)量目前主要是用于室內(nèi)或半室內(nèi)的流水線機(jī)械零部件等小尺度工業(yè)測(cè)量。以光刀法為例，其基本模式主要適用于系統(tǒng)自身位姿不變、視覺深度與寬度均較小的情況，如物料或電路板以皮帶傳輸?shù)确绞竭\(yùn)動(dòng)條件下的斷面三維測(cè)量[2]；由于投影線聚焦深度小，使得測(cè)量量程有限，待測(cè)對(duì)象尺寸增加時(shí)在其表面的投影輪廓線無法維持聚焦，使得投影中心線連續(xù)精確提取難以進(jìn)行[11]。

室外地形地物測(cè)量，其空間尺度通常都是上百米，所在外部環(huán)境更是全室外光照狀態(tài)?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)光測(cè)量模式對(duì)此存在明顯不足，主要是光學(xué)特征投射在太陽大氣環(huán)境下不明顯、結(jié)構(gòu)光成像不實(shí)用，以及各單元間相對(duì)姿態(tài)難以長期精確保持等；另一方面，適用于室外遠(yuǎn)距離的LiDAR設(shè)備價(jià)格昂貴、對(duì)國外廠家依賴性大，如果結(jié)構(gòu)光測(cè)量能通過自主研發(fā)達(dá)到室外環(huán)境有效作業(yè)的能力，將具有很好的應(yīng)用前景。

1 理論研究

隨著待測(cè)物體與儀器之間距離增加，室外結(jié)構(gòu)光投射三維視覺測(cè)量能力顯著下降甚至無法工作，除了環(huán)境光照對(duì)投射特征干擾使得像機(jī)無法對(duì)結(jié)構(gòu)光特征有效記錄，還有另一個(gè)因素就是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)光投影設(shè)備自身的問題，以單線結(jié)構(gòu)光投影方式為例說明：投線儀發(fā)射功率角度不變，而與待測(cè)對(duì)象距離增大后，投射到待測(cè)對(duì)象單位長度的能量密度顯著下降。

對(duì)此，本文設(shè)計(jì)定制出一種可根據(jù)待測(cè)對(duì)象尺度和距離遠(yuǎn)近，調(diào)節(jié)發(fā)射角度的新型線結(jié)構(gòu)光，結(jié)合已有研究提出的投影線提取算法[4，7]，無需做復(fù)雜的測(cè)距調(diào)焦，通過調(diào)節(jié)發(fā)射角控制投影線長度及投影點(diǎn)重返頻率，實(shí)現(xiàn)不變擺速的投影線強(qiáng)度可控，該新單線投影結(jié)構(gòu)光設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 技術(shù)路線

本文基于圖1所示方案，采用高出瞳功率工業(yè)激光點(diǎn)光源，高速往復(fù)擺動(dòng)投射在待測(cè)物表面，可獲得曝光時(shí)間10毫秒內(nèi)的連續(xù)投影線圖像。簡單來說，該單線結(jié)構(gòu)光特點(diǎn)有：（1）激光點(diǎn)發(fā)射功率與擺動(dòng)角速度不變，調(diào)節(jié)最大擺角控制固定距離上投影線長度變化；（2）被測(cè)對(duì)象距離光源近時(shí)增大最大擺角，讓投影線長度按需加長即擴(kuò)大投影線掃描范圍；（3）同等幾何尺寸被測(cè)對(duì)象距離光源遠(yuǎn)時(shí)，減小最大擺角，增加單位時(shí)間重復(fù)掃描頻率，從而提高對(duì)投影線的光學(xué)成像質(zhì)量；（4）僅做擺動(dòng)限角調(diào)節(jié)，無需復(fù)雜的測(cè)距調(diào)焦，結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)。加裝本文研制的單線結(jié)構(gòu)光單元后實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工況如圖2所示。

為檢查研制單線結(jié)構(gòu)光的室外掃描有效性，本文基于自研算法與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了室外實(shí)驗(yàn)工作的技術(shù)流程圖如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)于設(shè)計(jì)定制單線結(jié)構(gòu)光，本文采用圖3技術(shù)流程，開展了大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試。以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以較好的說明本文研制單線結(jié)構(gòu)光在室外環(huán)境下的有效性，展開說明如下：

3.1 室外70 m距離上雕塑投影掃描

實(shí)驗(yàn)人員于長沙某高校實(shí)驗(yàn)大樓13樓窗口架設(shè)雙工業(yè)像機(jī)與單線結(jié)構(gòu)光（單層樓高3.5 m），斜下視對(duì)準(zhǔn)室外地面雕像（圖4中紅色虛線橢圓圈出部位），其空間尺寸大致為“高3 m×長8 m×厚0.5 m”，與實(shí)驗(yàn)大樓邊緣平面距離大致50 m，因而從13樓窗口到雕像的斜距約70 m。在雕塑四周及不同凸起部位貼上打印的合作標(biāo)志（圖4中的黑白棋盤格），通過全站儀測(cè)定獨(dú)立坐標(biāo)系下合作標(biāo)志三維坐標(biāo)，以此做雙像機(jī)相對(duì)于該局部坐標(biāo)系的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定；通過調(diào)節(jié)投影線最大掃描角度，使得投影線完整覆蓋雕塑，單線結(jié)構(gòu)光在手動(dòng)操作下實(shí)現(xiàn)對(duì)雕像表面的投影掃描，雙目像機(jī)以每秒5 hz頻率同步成像，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)軟件處理得到雕塑表面投影線三維線。由于是手動(dòng)掃描，投影線間距不是很均勻，實(shí)驗(yàn)情況如圖4所示。

3.2 室外基坑內(nèi)土堆水泥柱投影掃描

該實(shí)驗(yàn)在中科院武漢巖土所的某中型基坑現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件是“春夏之交、中午無遮擋太陽直曬下”，掃描對(duì)象是距離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)10 m左右的半干半濕土堆及水泥柱。經(jīng)過投影線發(fā)射角調(diào)節(jié)，做到對(duì)雙目像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)土堆與水泥柱的完整覆蓋，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采集的是灰度圖像（投影線即圖5（b）中白色條紋）。本次實(shí)驗(yàn)前，單線結(jié)構(gòu)光已安裝在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤上，通過運(yùn)動(dòng)控制箱轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)投影線在雙目相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)勻速掃描。由于得到步進(jìn)電機(jī)支持，投影線間距均勻度得到顯著改善，實(shí)驗(yàn)情況如圖5所示。

4 結(jié)語

已有實(shí)驗(yàn)表明，本文研究的單線結(jié)構(gòu)光，避免了不同距離上聚焦的復(fù)雜操作，定制實(shí)現(xiàn)快、可靠性好，在已有算法支持下，能顯著提高室外結(jié)構(gòu)光測(cè)量作業(yè)的有效性，可實(shí)現(xiàn)“室外70 m距離掃描、米級(jí)尺度目標(biāo)覆蓋掃描”等階段性目標(biāo)。接下來，課題組將開展多站提取投影線拼接、基礎(chǔ)設(shè)施掃描精度分析等方面工作，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)光室外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)/References

[1]向晶，郝偉，劉飛. 激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019.16（10）：49+51.

[2]劉浩然，徐剛，張文明. 基于候選深度信息的水泥熟料三維重建方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 30（8）： 2329-2332.

[3]吳浩，黃創(chuàng)，張建華，等.GNSS/GIS集成的露天礦高邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2015，40（5）：706-710.

[4]張小虎，歐建良，苑云，等.投影輪廓線輔助下的堆場(chǎng)三維形貌攝影測(cè)量研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（6）：99-106.

[5]王之卓. 攝影測(cè)量原理[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[6]張廣軍. 視覺測(cè)量[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

[7]Ou J L， Zhou J， Zhu X W，et al.Large Stack-yard Three-dimensional Measurement Based on Videogrammetry and Projected-contour Scanning[J].Optical Engineering，2012.06，51（6）：061304.

[8]林輝. 高動(dòng)態(tài)范圍光亮表面的結(jié)構(gòu)光三維形貌測(cè)量方法研究與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2017.

[9]于起峰，尚洋，伏思華，等. 大型結(jié)構(gòu)變形及形貌攝像測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2011.26（5）：479-490.

[10]吳慶陽. 線結(jié)構(gòu)光三維傳感中關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：四川大學(xué)，2006.

[11]楊建華，楊雪榮，成思源，等. 線結(jié)構(gòu)光三維視覺測(cè)量中光條紋中心提取綜述[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 31（1）：74-78.

[12]Bell T， Zhang S. Toward superfast three-dimensional optical metrology with digital micromirror device platforms[J].Optical Engineering，2014.53（11）：112206-1～9.

[13]Nguyen H， Nguyen D， Wang Z Y，et al.Real-time，high-accuracy 3D imaging and shape measurement[J].Applied Optics，2015.54（1）： A9～A17.

[14]范建華. 基于線結(jié)構(gòu)光的三維視覺表面測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 廣州：中山大學(xué)，2015.5.

[15]楊德山，董麗麗，梁倩倩，等.大型散貨堆體積的快速測(cè)量[J].光學(xué)精密工程，2016，24（9）：2126-2133.