3D结构光的基础知识
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通过多个条纹中的一个条纹来展示三角测量原理
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原理
有投影仪投射出很窄的光到三维的物体表面产生出一行亮暗条纹，从不同于这个投影仪的角度观测到条纹的畸变，可以使用精确的几何知识来重建此物体表面的形状。
投影的图案一次包含了许多条纹或任意的边缘，这是一种快速且更加通用的方法，此法可以获得同时获得多个样本。由于物体表面的形状，从不同的视角看，图案显示出不同的几何畸变。
尽管在光投影中可能会有许多其他的变量，平行条纹的使用依旧广泛使用。图片显示了单个条纹投射到简单3D物体的表面上的几何变形。物体上对应的条纹可以精确的获得物体表面的任何细节的3D坐标。
条纹的产生
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两个平面光束干涉
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主要有两个方法产生条纹：激光干涉法和投射法。
- 激光干涉法适用于两个宽平面激光束的前面。它们干涉会获得有规律的结果，等距线图案。通过不同改变两个光束间的角度来获得不同图案的尺寸。该方法可以准确，且比较容易在无限景深下产生出非常好的图案。但是此方法的缺点在于实现成本太高，难以提供理想的光路结构及激光典型效应例如斑点噪声和可能从物体反射光之间的干涉。通常没有任何办法可以调制独立的条纹，如使用格雷码（见下文）。
- 投射法是使用非相干光且基本工作原理类似于录像放映机。图像通常是在显示器的投影仪内，通常是一个LCD（液晶）或LCOS（硅上液晶）显示器。
专有的投影方法是使用DLP(移动微反射镜)显示器，DLP显示不怎么吸收光因此容许很高的光的强度。并且有非常线性的灰度值再现，随着它们转向由脉冲宽度调制。
原则上，通过显示投影仪说产生的条纹并不连续，是由于在显示器的像素边缘。足够小的边界是可以忽略不计的，因为焦距很小边缘几乎扯平了。
典型的测量组件包括一个条纹投影仪和至少一个摄像机。在许多应用中，两个摄像机使用置于投影仪两侧的这种组合是常用的。
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拥有两个摄像头边缘图案记录系统（可避免障碍物）
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不可见（或不可感知）结构光是一种应用结构光并不干扰计算机视觉所要观测的，这个结构光并不会是计算机视觉观测的东西混淆。事例中的方法利用红外光或非常帧率高且相反的模式之间交互。
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通过投影序列的二进制编码的条纹图案，而后每个场景的像素中光的水平形成的独特的二进制码揭示了独立的条纹数。欲减少位误差的影响，条纹图案的设计只需要每个条纹改变一位（格雷码）
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校准
为了补偿由光学和透镜引起的几何失真，我们必须通过特殊校准模式和表面几何光学来校准测量仪器。我们建立一个数学模型被用来描述投影仪和相机的成像特性。基于针孔摄像头的简单几何性质，该模型还得考虑到投影仪和相机镜头的几何失真和像差。相机的参数和相机在空间中的定位可以通过摄影测量法的束调整由一系列的校准测量来确定。
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至少3相移灰色渐变图案，都需要从灰度值中得到的位置得到一个精确的分析在有些应用中，同时使用三个颜色。
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条纹图案分析
观察到的条纹图案在包含有多个深度线索。任何单一的条带的位移，可直接被转换成三维坐标。为了达到这个目的，必须确定每一个条纹，例如通过跟踪或计数条纹（图案识别方法），我们可以实现这个目的。另一种常见的方法是发射交替的条纹图案，这将导致二进制格雷码序列识别每个击中对象的条纹的数目。沿物体表面的不同的条纹宽度也将导致一个重要的深入的线索。条纹宽度是一个函数的陡度的表面部分，即第一衍生物的标高。条纹的频率和相位提供类似的线索，并且可以通过傅立叶变换分析。最近，小波变换已被考虑应用于用于相同目的。
在许多可实现的成就和一系列的模式识别的方式中，将格雷码和傅里叶变换相结合，可得到一个完整的和明确的形态重建，。
已被证明的另一种方法也属于条纹投影的范畴，这个方法采用深度的摄像头（斯图加特大学）。另外，为了摄影测量的探测，也可以使用投影的模式（主要是作为插入场景的结构的装置）。
条纹投影方法的光学分辨率依赖于所使用的条纹的宽度和其光学质量。当然，它也受光的波长的限制。由于景深，摄像头分辨率和显示分辨率的限制，条纹宽度的极度减少证明了这个方法是无效的。因此，相移的方法已被广泛地建立：略微错开的条纹采用至少为3，通常约10的曝光。这个方法的理论推导主要依赖正弦波形强度调制的条纹，但该方法也可用于“矩形”调制条纹，以及LCD或DLP显示。相移可以解决如1/10的条纹间距的表面细节。目前的光条纹图案轮廓测量允许细微分辨率的光的波长在1微米以下或到大约1/10条带的宽度（如果有较大的条纹图案的）。关于测量精度，在得到的摄像机图像中插入几个像素可以产生一个可靠的高度分辨率并让精度降低到1/50像素。
大的条纹图案和设置任意大小的物体可以测量相应的任意大的物体。实际应用中涉及的对象已经有记录，包括于尺寸达几米的物体。
典型的精度是：
- 2英尺（60厘米）宽的表面，至10μm的平坦性。
- 形状的电动机燃烧室至2μm（仰角），得到10倍的体积精度优于体积给药。
- 一个对象的形状，2“大，至约1微米
- 叶片边缘，例如10微米的半径，以±0.4μm的
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此种方法一次仅可以测量形状的一个角度，为了完成3D形状必须完成从不同角度的测量。可以通过在物体上添加标记点，并通过匹配这些标记来完成。这个过程可以通过安装在物体上的转盘或CNC定位装置来自动实现。标记可以作为施加上的定位装置而非对象本身。
从现有的组件如手工作品，雕塑，自然物体以及工件（逆向工程）采集的3D数据的可以为CAD数据和建模来用。
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在物体及3D重建的物体上扭曲的的条纹图案，通过例子中的工具来切割边（边缘半径为几微米）。面片边缘的精度非常重要，作为边缘太过于锋利会导致道具易断及大幅度缩短刀具寿命。
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局限性
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通过条纹投影获得的研磨表面的微结构(微米级尺度)
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在所有的光学方法中，反射和透明的表面是比较难处理的。反射会导致光的要不直接从镜头中反射走要不就直接返回到光学设备中。在这两种情况下，超出了摄像机捕捉的范围。透明或半透明的也会到导致很大的困难，在此类情况下，以测量为目的在其表面做一个清漆不透明涂层是目前常用的方法。测量全反射平面，可以采用的替代方法是条纹反射（fringe reflection）。上述提出的可选的方法，已经可以完美的解决透明以及镜面反射的物体。
双反射和反射之间的反射会导致重叠得到并不是我们想要的光，从而完全消除了恰当的观测机会。因此可反射的腔体以及凹的物体是比较难处理的。对于半透明的材料，如皮肤，大理石，蜡，植物以及人体组织也是比较难处理的，因为其表面散射现象。最近，计算机视觉领域一直在重新设计照明图案来处理这样复杂的光学场景，这些方法极有希望突破传统上难以扫描的3D场景，如高光的镜面的经书凹部和半透明的蜡烛等。
速度
尽管每个图片在不同变种的结构光中会得到几个不同的图案，可以高速的实现可应用于多种应用程序，例如：
- 列插式组件在生产过程中的精确检验
- 医疗应用，如实时测量人体的形状或人体皮肤的微结构。
- 还提出了在运动图像中的应用，如3D电视空间场景数据的采集。
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