3D視覺應用方案技術的測量原理

要談3D視覺應用方案，就必須先弄清楚光學測量分類以及其原理。光學測量分為主動測距法和被動測距法。

主動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行照射，根據物體表面的反射特性及光學、聲學特性來獲取目標的三維信息。其特點是具有較高的測距精度、抗干擾能力和實時性，具有代表性的主動測距方法有結構光法、飛行時間法、和三角測距法。

1. 主動測距法
（1）結構光法
根據投影光束形態的不同，結構光法又可分為光點式結構光法、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，所以表面反射回來的光柵條紋會隨著表面不同的深度發生畸變，這個過程可以看作是由物體表面的深度信息對光柵的條紋進行調制。所以被測物體的表面信息也就被調制在反射回來的光柵之中。通過被測物體反射回來的光柵與參考光柵之間的幾何關系，分析得到每一個被測點之間的高度差和深度信息。

結構光的優點是計算簡單，測量精度較高，對于平坦的、無明顯紋理和形狀變化的表面區域都可進行精密的測量。其缺點是對設備和外界光線要求高，造價昂貴。目前，結構光法主要應用在條件良好的室內。

（2）飛行時間法（ToF）
飛行時間（Time of Flight，簡稱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，利用發射和接收脈沖激光信號的時間差可實現被測量表面每個像素的距離測量。

飛行時間（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的影響，可快速準確地獲取景物表面完整的三維信息。缺點則是需要較復雜的光電設備，價格偏貴。

（3）三角測距法
三角測距法又稱主動三角法，是基于光學三角原理，根據光源、物體和檢測器三者之間的幾何成像關系來確定空間物體各點的三維坐標。在實際測量過程中，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勘探、工件表面粗糙度檢測、輪胎檢測、飛機檢測等工業、軍事領域，在消費電子類產品還不曾涉及。

基于激光三角法測量系統簡圖

2. 被動測距法
被動測距技術不需要人為地設置輻射源，只利用場景在自然光照下的二維圖像來重建景物的三維信息，具有適應性強、實現手段靈活、造價低的優點。但是這種方法是用低維信號來計算高維信號的，所以其使用的算法復雜。被動測距按照使用的視覺傳感器數量可分為單目視覺、雙目立體視覺和多目視覺三大類。

（1）單目視覺
單目視覺是指僅利用一臺照相機拍攝一張相片來進行測量。因僅需要一臺相機，所以該方法的優點是結構簡單、相機標定容易，同時還避免了立體視覺的小視場問題和匹配困難問題。

單目視覺測量示意圖

單目視覺方法又可分聚焦法和離焦法兩類。聚焦法是指首先使相機相對于被測點處于聚焦位置，然后根據透鏡成像公式求得被測點相對于相機的距離。相機偏離聚焦位置會帶來測量誤差，因此尋求精確的聚焦位置是關鍵所在。而離焦法不要求相機相對于被測點處于聚焦位置，而是根據標定出的離焦模型計算被測點相對于相機的距離，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題，但離焦模型的準確標定是該方法的主要難點。

（2）雙目立體視覺
雙目立體視覺的基本原理是從兩個視點觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差（視差）來獲取景物的三維信息。這一過程與人類視覺感知過程是類似的。

雙目立體視覺測量示意圖

在雙目立體視覺系統的硬件結構中，通常采用兩個攝像機作為視覺信號的采集設備，通過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過采樣、濾波、強化、模數轉換，終向計算機提供圖像數據。一個完整的雙目立體視覺系統通常可分為數字圖像采集、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
多目立體視覺系統是對雙目視覺系統的一種拓展。所謂多目立體視覺系統，就是采用多個攝像機設置于多個視點，或者由一個攝像機從多個視點觀測三維景物的視覺系統。

多目視覺測量示意圖

對多目系統所采集到的景物圖像進行感知、識別和理解的技術被稱為多目立體視覺系統技術。在雙目立體視覺中，對于給定的物體距離，視差與基線長度成正比，基線越長，對距離的計算越精確。但是當基線過長時，需要在相對較大的視覺范圍內進行搜索，從而增加計算量。利用多基線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。基線數目的增加可以通過增加相機來實現。

來源：新機器視覺