แสงที่มีโครงสร้าง

แสงโครงสร้าง (Structured light)เป็นวิธีการวัดรูปร่างและความลึกของวัตถุสามมิติโดยการฉายลวดลายแสงลงบนพื้นผิวของวัตถุ ลวดลายอาจเป็นเส้น ริ้ว ตาราง หรือจุด การบิดเบี้ยวที่เกิดขึ้นจากลวดลายที่ฉายลงไปจะเผยให้เห็นรูป ทรงเรขาคณิตของวัตถุผ่านการคำนวณแบบสามเหลี่ยม (triangulation)ทำให้สามารถสร้างแบบจำลองสามมิติของวัตถุได้ กระบวนการสแกนอาศัยเทคนิคการเข้ารหัสเพื่อให้ได้การวัดที่มีรายละเอียดแม่นยำ เทคนิคการเข้ารหัสที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือแบบไบนารี แบบเกรย์ และแบบเปลี่ยนเฟส ซึ่งแต่ละแบบมีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกัน
เทคโนโลยีแสงโครงสร้างถูกนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายสาขา รวมถึงการควบคุมคุณภาพ ทางอุตสาหกรรม ซึ่งใช้สำหรับการตรวจสอบที่แม่นยำและการวิเคราะห์มิติและการอนุรักษ์มรดกทางวัฒนธรรมซึ่งช่วยในการบันทึกและบูรณะโบราณวัตถุในด้านการถ่ายภาพทางการแพทย์ เทคโนโลยี นี้ช่วยอำนวยความสะดวกใน การวินิจฉัยแบบไม่รุกรานและการทำแผนที่พื้นผิวอย่างละเอียด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นการสแกนฟันและอุปกรณ์เสริมฟัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคได้รวมเอาเทคโนโลยีแสงโครงสร้างไว้ด้วย โดยมีแอปพลิเคชันตั้งแต่ระบบจดจำใบหน้าในสมาร์ทโฟน ไปจนถึงอุปกรณ์ติดตาม การเคลื่อนไหว เช่นKinectการใช้งานบางอย่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการจดจำใบหน้า ใช้ แสงโครงสร้าง อินฟราเรดเพื่อเพิ่มความแม่นยำภายใต้สภาพแสงที่แตกต่างกัน
กระบวนการ


การวัดด้วยแสงที่มีโครงสร้างเป็นเทคนิคที่ใช้ในการกำหนดพิกัดสามมิติของจุดบนพื้นผิวของวัตถุ โดยประกอบด้วยโปรเจ็กเตอร์และกล้องที่วางห่างกันในระยะคงที่ ซึ่งเรียกว่าเส้นฐาน และวางในมุมที่กำหนด โปรเจ็กเตอร์จะฉายรูปแบบแสงที่มีโครงสร้าง ซึ่งอาจเป็นเส้นแถบ หรือจุด ลงบนพื้นผิวของวัตถุ จากนั้นกล้องจะจับภาพการบิดเบี้ยวในรูปแบบนี้ที่เกิดจากรูปทรงเรขาคณิตของวัตถุ ซึ่งเผยให้เห็นรูปร่างของพื้นผิว โดยการวิเคราะห์การบิดเบี้ยวเหล่านี้ สามารถคำนวณค่าความลึกได้[ 1 ] [ 2 ]
กระบวนการวัดอาศัยการหา ตำแหน่งโดยใช้ สามเหลี่ยมโดยใช้ระยะฐานและมุมที่ทราบเพื่อคำนวณความลึกจากการเคลื่อนที่ของรูปแบบโดยใช้ หลักการ ตรีโกณมิติเมื่อแสงที่มีโครงสร้างตกกระทบพื้นผิวที่ไม่เป็นระนาบ รูปแบบจะบิดเบี้ยวอย่างคาดการณ์ได้ ทำให้สามารถสร้างพื้นผิวแบบ 3 มิติได้ การสร้างใหม่ที่แม่นยำขึ้นอยู่กับการสอบเทียบ ระบบ ซึ่งกำหนดความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตที่แม่นยำระหว่างโปรเจ็กเตอร์และกล้องเพื่อป้องกันข้อผิดพลาดด้านความลึก และผลที่ตามมาคือการบิดเบี้ยวทางเรขาคณิตจากการจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง รวมถึงการใช้อัลกอริธึมการวิเคราะห์รูปแบบ[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
ประเภทของการเขียนโค้ด
การสแกนด้วยแสงที่มีโครงสร้างอาศัยเทคนิคการเข้ารหัสต่างๆ สำหรับการวัดรูปร่าง 3 มิติ วิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือแบบไบนารี แบบเกรย์ และแบบเปลี่ยนเฟส แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกันในแง่ของความแม่นยำ ความซับซ้อนในการคำนวณ ความไวต่อสัญญาณรบกวนและความเหมาะสมสำหรับวัตถุที่เคลื่อนไหว การเข้ารหัสแบบไบนารีและแบบเกรย์ให้การสแกนที่เชื่อถือได้และรวดเร็วสำหรับวัตถุคงที่ ในขณะที่การเปลี่ยนเฟสให้รายละเอียดที่สูงกว่า วิธีการแบบผสมผสาน เช่น การเบลอภาพแบบไบนารีและการวัดโปรไฟล์ด้วยการแปลงฟูริเยร์ (FTP) จะสร้างสมดุลระหว่างความเร็วและความแม่นยำ ทำให้สามารถสแกนวัตถุ 3 มิติที่เคลื่อนไหวแบบเรียลไทม์ได้[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
การเข้ารหัสไบนารี
การเข้ารหัสแบบไบนารีใช้แถบ สีดำและสีขาวสลับกัน โดยแต่ละแถบแทนตัวเลขไบนารีวิธีนี้มีประสิทธิภาพในการคำนวณและถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเนื่องจากความเรียบง่าย อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องฉายรูปแบบหลายรูปแบบตามลำดับเพื่อให้ได้ความละเอียดเชิงพื้นที่ สูง แม้ว่าวิธีการนี้จะมีประสิทธิภาพสำหรับการสแกนวัตถุคงที่ แต่ก็ไม่เหมาะสมสำหรับฉากไดนามิกเนื่องจากจำเป็นต้องจับภาพหลายภาพ นอกจากนี้ ความแม่นยำของการเข้ารหัสแบบไบนารียังถูกจำกัดด้วย ความละเอียด พิกเซลของ โปรเจ็กเตอร์และกล้อง และจำเป็นต้องใช้อั ลกอริธึมการกำหนดค่า เกณฑ์ ที่แม่นยำ เพื่อแยกแยะแถบที่ฉายได้อย่างถูกต้อง[ 4 ]
การเข้ารหัสสีเทา
การเข้ารหัสแบบเกรย์ ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์แฟรงค์ เกรย์เป็น รูปแบบ การเข้ารหัสแบบไบนารีที่ออกแบบมาเพื่อลดข้อผิดพลาดโดยทำให้มั่นใจว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงเพียงบิตเดียวในแต่ละครั้งระหว่างค่าที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งจะช่วยลดข้อผิดพลาดในการเปลี่ยนผ่าน ทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งาน เช่นการแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลและการสแกนด้วยแสง[ 5 ]ในการสแกนด้วยแสงที่มีโครงสร้าง ซึ่งใช้รหัสเกรย์สำหรับการฉายรูปแบบ ข้อเสียจะเกิดขึ้นเมื่อมีการฉายรูปแบบมากขึ้น: แถบจะแคบลงเรื่อยๆ ซึ่งอาจทำให้กล้องตรวจจับได้อย่างแม่นยำได้ยากขึ้น โดยเฉพาะใน สภาพแวดล้อม ที่มีสัญญาณรบกวนหรือมีความละเอียดจำกัด เพื่อลดปัญหานี้ จึงมีการพัฒนารูปแบบขั้นสูง เช่น รหัสเกรย์เสริมและรูปแบบรหัสเกรย์แบบเลื่อนเฟส เทคนิคเหล่านี้แนะนำรูปแบบที่ตรงข้ามหรือจัดเรียงเฟสเพื่อเพิ่มความทนทานตลอดจนช่วยในการตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาดในสภาพแวดล้อมการสแกนที่ซับซ้อน[ 2 ] [ 6 ]
การเปลี่ยนเฟส
เทคนิคการเลื่อนเฟสใช้ รูปแบบ คลื่นไซน์ที่ค่อยๆ เลื่อนผ่านเฟรมหลายเฟรมเพื่อวัดความลึก ซึ่งแตกต่างจากการเข้ารหัสแบบไบนารีและเกรย์ที่ให้ความลึกเป็นขั้นๆ การเลื่อนเฟสช่วยให้สามารถวัดความลึกได้อย่างราบรื่นและต่อเนื่อง ส่งผลให้มีความแม่นยำสูงขึ้น ความท้าทายหลักคืออาจเกิดความกำกวมของความลึกได้ เนื่องจากรูปแบบคลื่นที่ซ้ำกันทำให้ยากต่อการกำหนดระยะทางที่แน่นอน ซึ่งต้องใช้ข้อมูลอ้างอิง เพิ่มเติม หรือการประมวลผลขั้นสูงเพื่อแก้ไข และเนื่องจากต้องใช้ภาพหลายภาพ วิธีนี้จึงไม่เหมาะสำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ เนื่องจากการเคลื่อนไหวอาจทำให้เกิดการบิดเบือนและทำให้เกิดสิ่งผิดปกติในการวัด[ 4 ]
วิธีการแบบผสมผสาน
เพื่อแก้ไขข้อจำกัดของการเปลี่ยนเฟสในสภาพแวดล้อมแบบไดนามิก ได้มีการพัฒนาเทคนิคการเบลอภาพแบบไบนารี ซึ่งรูปแบบไบนารีจะถูกเบลอโดยเจตนาเพื่อให้ใกล้เคียงกับคลื่นไซน์ วิธีการนี้ผสานประสิทธิภาพของการฉายภาพแบบไบนารีเข้ากับความแม่นยำของการเปลี่ยนเฟส ทำให้สามารถจับภาพรูปร่าง 3 มิติด้วยความเร็วสูง ความก้าวหน้าใน โปรเจ็กเตอร์ ประมวลผลแสงดิจิทัล ความเร็วสูง (DLP) ยังสนับสนุนการนำวิธีการแบบไฮบริดเหล่านี้ไปใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการการสแกนแบบเรียลไทม์ รวมถึงการถ่ายภาพทางการแพทย์และการตรวจสอบทางอุตสาหกรรม[ 3 ]
การวัดโปรไฟล์ด้วยการแปลงฟูริเยร์ (FTP) วัดรูปร่างของวัตถุโดยใช้ภาพเดียวของรูปแบบที่ฉายออกมา โดยจะวิเคราะห์ว่ารูปแบบนั้นเปลี่ยนรูปไปอย่างไรบนพื้นผิว ทำให้สามารถวัดรูปร่าง 3 มิติแบบเต็มพื้นที่ได้อย่างรวดเร็ว แม้กระทั่งกับวัตถุที่เคลื่อนที่ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการใช้การแปลงฟูริเยร์เพื่อแปลงภาพเป็นข้อมูลความถี่ กรองส่วนประกอบที่ไม่ต้องการออก และทำการแปลงผกผันเพื่อดึงข้อมูลความลึกออกมา แม้ว่า FTP มักจะใช้เพียงอย่างเดียว แต่ระบบไฮบริดบางครั้งก็รวมเข้ากับการวัดโปรไฟล์แบบเปลี่ยนเฟส (PSP) หรือเทคนิคความถี่คู่เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในขณะที่ยังคงความเร็วสูง[ 7 ] [ 8 ]
ดูเพิ่มเติม
- แผนที่ความลึก
- การถ่ายภาพคู่
- เครื่องสร้างภาพช่วงไดนามิกเลเซอร์
- ไลดาร์
- เวทีแสง
- การถ่ายภาพระยะไกล
- สเตอริโอสโคปี
- กล้องจุลทรรศน์แบบส่องสว่างเชิงโครงสร้าง (SIM)
- เครื่องสแกน 3 มิติแบบใช้แสงโครงสร้าง– เซ็นเซอร์ที่สามารถสร้างภาพสแกน 3 มิติโดยใช้แสงที่มองเห็นได้
- กล้องไทม์ออฟไฟลท์
ลิงก์ภายนอก
- ชุดเครื่องมือปรับเทียบโปรเจคเตอร์-กล้อง
- บทแนะนำเกี่ยวกับเทคนิคการฉายแสงแบบเข้ารหัส
- แสงที่มีโครงสร้างโดยใช้รหัสสุ่มเทียม
- แผนที่ความลึกแบบสเตอริโอที่มีความแม่นยำสูงโดยใช้แสงโครงสร้าง
- การสำรวจเปรียบเทียบเกี่ยวกับแสงโครงสร้างที่มองไม่เห็น
- ระบบตรวจจับระยะด้วยเลเซอร์แบบเรียลไทม์
- รูปแบบการวัดแบบสองความถี่สำหรับการวัดรูปทรงสามมิติความเร็วสูง
- รูปแบบแถบสีความคมชัดสูงสำหรับการถ่ายภาพช่วงแสงโครงสร้างอย่างรวดเร็ว