三维重建技术：区分强环境光与退偏误差校正

《Optics & Laser Technology》：Three-dimensional reconstruction with separation of strong ambient light and depolarization error correction

强环境光下基于DOLP的三维重建方法通过双偏振层短焦距投影系统分离环境光，提出DOLP阈值异常像素识别与误差追踪校正模型，金属工件平面拟合误差达0.1641mm，优于传统方法。

　　在当今科技迅速发展的背景下，三维重建技术在多个领域中发挥着越来越重要的作用。尤其是在户外强环境光条件下进行结构光三维重建，已成为研究的热点之一。由于自然光和人造光源的干扰，传统方法在获取高精度三维点云时常常面临挑战。为此，研究者们不断探索新的技术手段，以提高在强环境光干扰下的测量精度和可靠性。

结构光三维重建的基本原理是通过在目标物体上投射特定的光图案，如条纹或网格，然后利用相机捕捉这些图案的变形情况，从而计算出物体的三维形状。然而，在强环境光干扰下，这种变形可能会被掩盖，导致测量结果不准确。因此，如何有效分离环境光并纠正由此产生的误差，成为提升重建精度的关键问题。

针对这一问题，研究人员提出了一种基于偏振特性的结构光三维重建方法。该方法利用了偏振度（Degree of Linear Polarization, DOLP）的概念，通过设置特定的偏振度阈值来识别受影响的像素，并结合双层线性偏振器的短焦投影测量系统，提高信号与噪声的比值（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。这种方法在处理复杂表面的物体时表现出良好的适应性，尤其是在金属等高反射率材料的测量中，能够有效减少环境光的干扰。

偏振现象在自然界中普遍存在，相较于光强，偏振特性提供了更多的信息。在结构光三维重建过程中，利用偏振特性可以有效解决因高反射率表面而导致的相位信息缺失问题。大多数自然光具有随机的偏振状态，当这些光被反射后，通常会变得部分或完全偏振，除非光线完全反射或以90°角入射。在与材料相互作用时，散射、衍射和反射等现象会改变光的偏振状态。不同材料对光的反射会产生不同的偏振效应，例如，光滑的非金属表面会使得反射光呈现水平偏振，而粗糙表面的反射光则可能不具有水平偏振，其偏振方向会有所变化。因此，在本研究中，主要关注的是由反射引起的偏振状态变化。

在结构光三维重建中，对反射成分的分解至关重要。传统的方法通常假设反射光仅来源于投影光源，而忽略了环境光在反射后也会产生部分偏振的现象。这种偏振成分同样会被偏振相机捕捉，从而影响最终的图像质量。因此，为了提高重建精度，必须准确识别图像中的光源成分，并将来自非结构光源的偏振成分分离出来。

目前，反射分离方法主要分为两种：基于图像特征的分离算法和基于物理特性的分离方法。前者通过提取图像中反射成分的特征来进行分离，而后者则利用反射过程中产生的偏振特性来区分不同的表面反射成分。已有研究表明，利用偏振信息可以有效解决不同介质中的反射分离问题，包括金属表面的反射。然而，如何在强环境光条件下进行有效的反射分离，仍然需要进一步的研究。

本研究受到之前工作的启发，深入探讨了光反射偏振化的原理，以过滤强环境光并准确解决相位误差问题。通过设置偏振度阈值，研究人员能够识别受影响的像素，并结合双层线性偏振器的短焦投影测量系统，提高信号与噪声的比值。此外，使用LCD投影仪的最小焦距进行投影，有助于集中有限的能量，提高图像的清晰度和测量精度。最终，通过将纠正后的偏振像素图像与正常反射区域的图像进行融合，研究人员获得了新的重建图像，并从中提取出三维点云信息。通过与传统在暗条件下获得的三维点云进行比较，实验结果验证了所提出方法的有效性。

本研究的实验系统包括LCD投影仪、1000瓦卤素灯、偏振相机以及线性偏振器。为了展示所提出方法的鲁棒性，研究人员对金属、塑料和石膏等不同材质的物体进行了测量。通过设置投影距离为投影仪的最小焦距，即500毫米，研究人员能够提高信号与噪声的比值，从而获得更高质量的图像。在实验过程中，研究人员还采用了多种图像处理技术，以确保测量结果的准确性。

此外，研究人员还探讨了如何通过优化投影模式和图像处理算法，提高在强环境光干扰下的测量精度。通过结合多种技术手段，如偏振度阈值的设置、双层线性偏振器的使用以及短焦投影的实施，研究人员能够有效减少环境光的干扰，提高图像的清晰度和测量的可靠性。实验结果表明，在1000瓦卤素灯的强环境光干扰下，所提出方法能够获得金属工件点云的平面拟合误差为0.1641毫米，这一精度满足了工业测量的需求。

在户外环境中，所提出方法的测量能力优于传统的环境光分离技术。这一方法不仅提高了测量精度，还增强了在强环境光干扰下的鲁棒性。通过利用偏振特性，研究人员能够更准确地识别和分离环境光成分，从而减少测量误差，提高三维重建的准确性。此外，该方法还能够快速构建环境光分离和误差校正方程，提高了测量效率。

本研究的成果为在强环境光条件下实现高精度三维重建提供了新的方法论。通过结合多种技术手段，研究人员不仅解决了环境光干扰的问题，还提高了测量精度和可靠性。这一方法在实际应用中具有重要的意义，特别是在工业自动化、文化遗产数字化和自动驾驶等领域。未来，研究人员将继续探索更高效、更准确的三维重建方法，以应对更复杂的环境光干扰问题。

综上所述，本研究提出了一种基于偏振度阈值和双层线性偏振器的结构光三维重建方法，能够有效分离强环境光并减少测量误差。通过实验验证，该方法在金属工件的测量中表现出良好的性能，其平面拟合误差满足了工业测量的需求。此外，该方法在户外环境中的测量能力优于传统方法，为高精度三维重建提供了新的思路和技术支持。未来，研究人员将继续优化该方法，以适应更多复杂的应用场景，提高三维重建的准确性和可靠性。