3D視覺(jué)技術(shù)測(cè)量原理

要談3D視覺(jué)應(yīng)用方案，就必須先弄清楚光學(xué)測(cè)量分類以及其原理。光學(xué)測(cè)量分為主動(dòng)測(cè)距法和被動(dòng)測(cè)距法。

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

1. 主動(dòng)測(cè)距法
（1）結(jié)構(gòu)光法
根據(jù)投影光束形態(tài)的不同，結(jié)構(gòu)光法又可分為光點(diǎn)式結(jié)構(gòu)光法、光條式結(jié)構(gòu)光法和光面式結(jié)構(gòu)光法等。

目前應(yīng)用中較廣，且在深度測(cè)量中具有明顯優(yōu)勢(shì)的方法是面結(jié)構(gòu)光測(cè)量法。面結(jié)構(gòu)光測(cè)量將各種模式的面結(jié)構(gòu)投影到被測(cè)物體上，例如將分布較密集的均勻光柵投影到被測(cè)物體上面，由于被測(cè)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(duì)光柵的條紋進(jìn)行調(diào)制。所以被測(cè)物體的表面信息也就被調(diào)制在反射回來(lái)的光柵之中。通過(guò)被測(cè)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(cè)點(diǎn)之間的高度差和深度信息。

結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，對(duì)于平坦的、無(wú)明顯紋理和形狀變化的表面區(qū)域都可進(jìn)行精密的測(cè)量。其缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備和外界光線要求高，造價(jià)昂貴。目前，結(jié)構(gòu)光法主要應(yīng)用在條件良好的室內(nèi)。

（2）飛行時(shí)間法（ToF）
飛行時(shí)間（Time of Flight，簡(jiǎn)稱ToF）法，又叫做激光雷達(dá)（LiDAR）測(cè)距法。它將脈沖激光信號(hào)投射到物體表面，反射信號(hào)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(hào)的時(shí)間差可實(shí)現(xiàn)被測(cè)量表面每個(gè)像素的距離測(cè)量。

飛行時(shí)間（ToF）深度測(cè)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(zhǔn)確地獲取景物表面完整的三維信息。缺點(diǎn)則是需要較復(fù)雜的光電設(shè)備，價(jià)格偏貴。

（3）三角測(cè)距法
三角測(cè)距法又稱主動(dòng)三角法，是基于光學(xué)三角原理，根據(jù)光源、物體和檢測(cè)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(biāo)。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，它常用激光作為光源，用CCD相機(jī)作為檢測(cè)器。這種方式主要用于工業(yè)勘探、工件表面粗糙度檢測(cè)、輪胎檢測(cè)、飛機(jī)檢測(cè)等工業(yè)、航空、軍事領(lǐng)域，在消費(fèi)電子類產(chǎn)品還不曾涉及。

基于激光三角法測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2. 被動(dòng)測(cè)距法
被動(dòng)測(cè)距技術(shù)不需要人為地設(shè)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(yīng)性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)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(hào)來(lái)計(jì)算高維信號(hào)的，所以其使用的算法復(fù)雜。被動(dòng)測(cè)距按照使用的視覺(jué)傳感器數(shù)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。

（1）單目視覺(jué)
單目視覺(jué)是指僅利用一臺(tái)照相機(jī)拍攝一張相片來(lái)進(jìn)行測(cè)量。因僅需要一臺(tái)相機(jī)，所以該方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相機(jī)標(biāo)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(cè)量示意圖

單目視覺(jué)方法又可分聚焦法和離焦法兩類。聚焦法是指首先使相機(jī)相對(duì)于被測(cè)點(diǎn)處于聚焦位置，然后根據(jù)透鏡成像公式求得被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于相機(jī)的距離。相機(jī)偏離聚焦位置會(huì)帶來(lái)測(cè)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(jī)相對(duì)于被測(cè)點(diǎn)處于聚焦位置，而是根據(jù)標(biāo)定出的離焦模型計(jì)算被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于相機(jī)的距離，這樣就避免了由于尋求精確的聚焦位置而降低測(cè)量效率的問(wèn)題，但離焦模型的準(zhǔn)確標(biāo)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(cè)量原理計(jì)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)程與人類視覺(jué)感知過(guò)程是類似的。

雙目立體視覺(jué)測(cè)量示意圖

在雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，通常采用兩個(gè)攝像機(jī)作為視覺(jué)信號(hào)的采集設(shè)備，通過(guò)雙輸入通道圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，把攝像機(jī)采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、濾波、強(qiáng)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終向計(jì)算機(jī)提供圖像數(shù)據(jù)。一個(gè)完整的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)通?？煞譃閿?shù)字圖像采集、相機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)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(tǒng)是對(duì)雙目視覺(jué)系統(tǒng)的一種拓展。所謂多目立體視覺(jué)系統(tǒng)，就是采用多個(gè)攝像機(jī)設(shè)置于多個(gè)視點(diǎn)，或者由一個(gè)攝像機(jī)從多個(gè)視點(diǎn)觀測(cè)三維景物的視覺(jué)系統(tǒng)。

多目視覺(jué)測(cè)量示意圖

對(duì)多目系統(tǒng)所采集到的景物圖像進(jìn)行感知、識(shí)別和理解的技術(shù)被稱為多目立體視覺(jué)系統(tǒng)技術(shù)。在雙目立體視覺(jué)中，對(duì)于給定的物體距離，視差與基線長(zhǎng)度成正比，基線越長(zhǎng)，對(duì)距離的計(jì)算越精確。但是當(dāng)基線過(guò)長(zhǎng)時(shí)，需要在相對(duì)較大的視覺(jué)范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，從而增加計(jì)算量。利用多基線立體匹配是消除誤匹配、提高視差測(cè)量準(zhǔn)確性的有效方法之?；€數(shù)目的增加可以通過(guò)增加相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。