基于VCSEL投影阵列的散斑结构光三维成像技术及其传感器设计

尹维; 李明雨; 胡岩; 冯世杰; 张晓磊; 王槐; 陈钱; 左超

doi:doi:10.3788/LOP230428

激光与光电子学进展, 2023, 60 (8): 0811014, 网络出版: 2023-04-13

基于VCSEL投影阵列的散斑结构光三维成像技术及其传感器设计下载： 773次特邀研究论文内封面文章

Speckle Structured-Light-Based Three-Dimensional Imaging Technology and Its Sensor Design Using VCSEL Projection Array

尹维 ^1,2,3†李明雨 ^1,2,3†胡岩 ^1,2,3冯世杰 ^1,2,3张晓磊 ³王槐 ⁴陈钱 ²左超 ^1,2,3,*

作者单位

¹ 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室（SCILab），江苏南京 210094

² 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，江苏南京 210094

³ 南京理工大学智能计算成像研究院（SCIRI），江苏南京 210019

⁴ 苏州亚博汉智能科技有限公司（Abham），江苏苏州 215000

图 & 表

图 1. 基于VCSEL投影阵列的三维结构光传感器的硬件结构示意图

Fig. 1. Diagram of the hardware structure of the 3D structured-light sensor based on VCSEL projection array

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图 2. 由粗到精的时空散斑相关算法的示意图

Fig. 2. Diagram of a coarse-to-fine spatial-temporal speckle correlation algorithm

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图 3. 基于互信息的成本计算方法

Fig. 3. Cost calculation method based on mutual information

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图 4. 基于归一化互信息的单像素时域匹配方法

Fig. 4. Single-pixel temporal matching method based on normalised mutual information

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图 5. 使用不同插值函数的插值前后差异的直方图。（a）线性插值函数；（b）抛物线插值函数；（c）融合插值函数

Fig. 5. Histogram of difference before and after interpolation using different interpolation functions. (a) Linear interpolation function; (b) parabolic interpolation function; (c) fused interpolation function

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图 6. 使用不同插值函数的三维点云结果。（a）线性插值函数；（b）抛物线插值函数；（c）融合插值函数

Fig. 6. 3D point cloud results using different interpolation functions. (a) Linear interpolation function; (b) parabolic interpolation function; (c) fused interpolation function

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图 7. 精度分析结果。（a）不同距离的测量误差曲线；（b）100 cm处平面的点云结果；（c）100 cm处平面的误差直方图

Fig. 7. Precision analysis result. (a) Measurement error curves at different distances; (b) point cloud results of the plane at 100 cm; (c) error histograms of the plane at 100 cm

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图 8. 人头模型的三维测量结果

Fig. 8. 3D measurement results of the human head model

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图 9. 大卫模型的三维测量结果

Fig. 9. 3D measurement results of the David model

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图 10. 不同设备输出的三维点云与标准数据间的测量误差

Fig. 10. Measurement error between the 3D point cloud output by different devices and the standard data

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图 11. 金属零件的远距离测量实验。（a）~（c）不同姿态堆叠放置的金属螺丝钉的散斑图；（d）~（f）对应的三维点云结果

Fig. 11. Long-distance measurement experiment of metal parts. (a)-(c) Speckle images of metal screws stacked in different postures; (d)-(f) corresponding 3D point cloud results

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图 12. 复杂场景的三维测量结果

Fig. 12. 3D measurement results for complex scene

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尹维, 李明雨, 胡岩, 冯世杰, 张晓磊, 王槐, 陈钱, 左超. 基于VCSEL投影阵列的散斑结构光三维成像技术及其传感器设计[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(8): 0811014. Wei Yin, Mingyu Li, Yan Hu, Shijie Feng, Xiaolei Zhang, Huai Wang, Qian Chen, Chao Zuo. Speckle Structured-Light-Based Three-Dimensional Imaging Technology and Its Sensor Design Using VCSEL Projection Array[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(8): 0811014.