3D視覺(jué)應用方案技術(shù)的測量原理

要談3D視覺(jué)應用方案，就必須先弄清楚光學(xué)測量分類(lèi)以及其原理。光學(xué)測量分為主動(dòng)測距法和被動(dòng)測距法。

主動(dòng)測距方法的基本思想是利用特定的、人為控制光源和聲源對物體目標進(jìn)行照射，根據物體表面的反射特性及光學(xué)、聲學(xué)特性來(lái)獲取目標的三維信息。其特點(diǎn)是具有較高的測距精度、抗干擾能力和實(shí)時(shí)性，具有代表性的主動(dòng)測距方法有結構光法、飛行時(shí)間法、和三角測距法。

1. 主動(dòng)測距法
（1）結構光法
根據投影光束形態(tài)的不同，結構光法又可分為光點(diǎn)式結構光法、光條式結構光法和光面式結構光法等。

目前應用中較廣，且在深度測量中具有明顯優(yōu)勢的方法是面結構光測量法。面結構光測量將各種模式的面結構投影到被測物體上，例如將分布較密集的均勻光柵投影到被測物體上面，由于被測物體表面凹凸不平，具有不同的深度，所以表面反射回來(lái)的光柵條紋會(huì )隨著(zhù)表面不同的深度發(fā)生畸變，這個(gè)過(guò)程可以看作是由物體表面的深度信息對光柵的條紋進(jìn)行調制。所以被測物體的表面信息也就被調制在反射回來(lái)的光柵之中。通過(guò)被測物體反射回來(lái)的光柵與參考光柵之間的幾何關(guān)系，分析得到每一個(gè)被測點(diǎn)之間的高度差和深度信息。

結構光的優(yōu)點(diǎn)是計算簡(jiǎn)單，測量精度較高，對于平坦的、無(wú)明顯紋理和形狀變化的表面區域都可進(jìn)行精密的測量。其缺點(diǎn)是對設備和外界光線(xiàn)要求高，造價(jià)昂貴。目前，結構光法主要應用在條件良好的室內。

（2）飛行時(shí)間法（ToF）
飛行時(shí)間（Time of Flight，簡(jiǎn)稱(chēng)ToF）法，又叫做激光雷達（LiDAR）測距法。它將脈沖激光信號投射到物體表面，反射信號沿幾乎相同路徑反向傳至接收器，利用發(fā)射和接收脈沖激光信號的時(shí)間差可實(shí)現被測量表面每個(gè)像素的距離測量。

飛行時(shí)間（ToF）深度測量法的原理示意圖

ToF直接利用光傳播特性，不需要進(jìn)行灰度圖像的獲取與分析，因此距離的獲取不受物體表面性質(zhì)的影響，可快速準確地獲取景物表面完整的三維信息。缺點(diǎn)則是需要較復雜的光電設備，價(jià)格偏貴。

（3）三角測距法
三角測距法又稱(chēng)主動(dòng)三角法，是基于光學(xué)三角原理，根據光源、物體和檢測器三者之間的幾何成像關(guān)系來(lái)確定空間物體各點(diǎn)的三維坐標。在實(shí)際測量過(guò)程中，它常用激光作為光源，用CCD相機作為檢測器。這種方式主要用于工業(yè)勘探、工件表面粗糙度檢測、輪胎檢測、飛機檢測等工業(yè)、航空、軍事領(lǐng)域，在消費電子類(lèi)產(chǎn)品還不曾涉及。

基于激光三角法測量系統簡(jiǎn)圖

2. 被動(dòng)測距法
被動(dòng)測距技術(shù)不需要人為地設置輻射源，只利用場(chǎng)景在自然光照下的二維圖像來(lái)重建景物的三維信息，具有適應性強、實(shí)現手段靈活、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。但是這種方法是用低維信號來(lái)計算高維信號的，所以其使用的算法復雜。被動(dòng)測距按照使用的視覺(jué)傳感器數量可分為單目視覺(jué)、雙目立體視覺(jué)和多目視覺(jué)三大類(lèi)。

（1）單目視覺(jué)
單目視覺(jué)是指僅利用一臺照相機拍攝一張相片來(lái)進(jìn)行測量。因僅需要一臺相機，所以該方法的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、相機標定容易，同時(shí)還避免了立體視覺(jué)的小視場(chǎng)問(wèn)題和匹配困難問(wèn)題。

單目視覺(jué)測量示意圖

單目視覺(jué)方法又可分聚焦法和離焦法兩類(lèi)。聚焦法是指首先使相機相對于被測點(diǎn)處于聚焦位置，然后根據透鏡成像公式求得被測點(diǎn)相對于相機的距離。相機偏離聚焦位置會(huì )帶來(lái)測量誤差，因此尋求精確的聚焦位置是關(guān)鍵所在。而離焦法不要求相機相對于被測點(diǎn)處于聚焦位置，而是根據標定出的離焦模型計算被測點(diǎn)相對于相機的距離，這樣就避免了由于尋求精確的聚焦位置而降低測量效率的問(wèn)題，但離焦模型的準確標定是該方法的主要難點(diǎn)。

（2）雙目立體視覺(jué)
雙目立體視覺(jué)的基本原理是從兩個(gè)視點(diǎn)觀(guān)察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過(guò)三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差（視差）來(lái)獲取景物的三維信息。這一過(guò)程與人類(lèi)視覺(jué)感知過(guò)程是類(lèi)似的。

雙目立體視覺(jué)測量示意圖

在雙目立體視覺(jué)系統的硬件結構中，通常采用兩個(gè)攝像機作為視覺(jué)信號的采集設備，通過(guò)雙輸入通道圖像采集卡與計算機連接，把攝像機采集到的模擬信號經(jīng)過(guò)采樣、濾波、強化、模數轉換，終向計算機提供圖像數據。一個(gè)完整的雙目立體視覺(jué)系統通?？煞譃閿底謭D像采集、相機標定、圖像預處理與特征提取、圖像校正、立體匹配、三維重建六大部分。

（3）多目立體視覺(jué)
多目立體視覺(jué)系統是對雙目視覺(jué)系統的一種拓展。所謂多目立體視覺(jué)系統，就是采用多個(gè)攝像機設置于多個(gè)視點(diǎn)，或者由一個(gè)攝像機從多個(gè)視點(diǎn)觀(guān)測三維景物的視覺(jué)系統。

多目視覺(jué)測量示意圖

對多目系統所采集到的景物圖像進(jìn)行感知、識別和理解的技術(shù)被稱(chēng)為多目立體視覺(jué)系統技術(shù)。在雙目立體視覺(jué)中，對于給定的物體距離，視差與基線(xiàn)長(cháng)度成正比，基線(xiàn)越長(cháng)，對距離的計算越精確。但是當基線(xiàn)過(guò)長(cháng)時(shí)，需要在相對較大的視覺(jué)范圍內進(jìn)行搜索，從而增加計算量。利用多基線(xiàn)立體匹配是消除誤匹配、提高視差測量準確性的有效方法之?；€(xiàn)數目的增加可以通過(guò)增加相機來(lái)實(shí)現。

來(lái)源：新機器視覺(jué)