?

3D機(jī)器視覺的技術(shù)路徑和場(chǎng)景適用

Edited by 4thInstitute

一、3D相機(jī)的典型應(yīng)用領(lǐng)域:

1）在工業(yè)環(huán)境中自動(dòng)駕駛車輛（如叉車）檢測(cè)障礙和進(jìn)行“人工”導(dǎo)航

2）機(jī)器人控制的傳送帶抓取作業(yè)或零件拾取作業(yè)

3）進(jìn)行有無檢測(cè)，即使容器/箱子中的對(duì)象相比背景根本沒有對(duì)比度，也可以對(duì)其進(jìn)行檢查和計(jì)數(shù)

4）對(duì)電路板上的組件進(jìn)行位置和有無檢查

5）對(duì)各種對(duì)象進(jìn)行體積測(cè)量等

二、流行的3D技術(shù)

3D圖像處理常使用的技術(shù)包括：

1）立體視覺和結(jié)構(gòu)光

2）激光三角測(cè)量法

3）ToF(Time-of-Flight)

三、立體視覺和結(jié)構(gòu)光

立體視覺的工作原理依照人類的一雙眼睛。使用兩個(gè)相機(jī)記錄一個(gè)對(duì)象的兩個(gè)2D圖像。并且，從兩個(gè)不同的位置記錄同樣的場(chǎng)景，借助三角測(cè)量原理，使用深度信息合成一幅三維圖像。

立體視覺使用從兩個(gè)普通的2D面陣相機(jī)提供的圖像數(shù)據(jù)，為場(chǎng)景提供深度值。同時(shí)，根據(jù)相機(jī)位置以及應(yīng)用的幾何信息對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整后，使用匹配算法搜索右側(cè)和左側(cè)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，創(chuàng)建場(chǎng)景的深度圖像。

此方法運(yùn)行的工作距離取決于基準(zhǔn)（相機(jī)之間的距離），因此因情況而異。

提高立體系統(tǒng)性能的一種方式是向立體解決方案添加結(jié)構(gòu)光。通過使用光源將明亮的幾何圖案投射在場(chǎng)景上，可以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，這顯著降低因均質(zhì)表面和低光造成的立體影像缺陷。通過校準(zhǔn)投射燈和相機(jī)，甚至可以不使用第二臺(tái)相機(jī)。

3.1立體視覺的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

+?可以在較短距離內(nèi)獲得高精度

+?可以使用2D面陣相機(jī)

+?陽光照射不是問題

+?高反光（稱為難處理表面）的情況下也可以使用

-?不能用于均質(zhì)表面

-?在低光照條件下不能運(yùn)行

-?高計(jì)算能力導(dǎo)致實(shí)時(shí)性難以實(shí)現(xiàn)

3.2結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

+?可以在較短距離內(nèi)獲得高精度

+?可以使用2D面陣相機(jī)

+?陽光照射不是問題

+?高反光（稱為難處理表面）的情況下也可以使用

-?高計(jì)算負(fù)載導(dǎo)致實(shí)時(shí)性難以實(shí)現(xiàn)

-?設(shè)置復(fù)雜、安裝成本高，導(dǎo)致總體系統(tǒng)成本高昂

3.3立體視覺和結(jié)構(gòu)光的典型應(yīng)用領(lǐng)域

立體視覺可以實(shí)現(xiàn)較高精度。難處理表面不會(huì)對(duì)立體視覺造成較大影響，但始終要求對(duì)象存在少量參考標(biāo)記或隨機(jī)圖案。這意味著這種技術(shù)一般不太適合在生產(chǎn)環(huán)境中使用。立體視覺通常的應(yīng)用范圍包括：坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，工業(yè)、服務(wù)或機(jī)器人系統(tǒng)方面應(yīng)用的對(duì)象和工作區(qū)的3D測(cè)量，以及危險(xiǎn)工作區(qū)或人類無法進(jìn)入的工作區(qū)的3D顯示。立體系統(tǒng)也非常適合在室外區(qū)域的測(cè)量系統(tǒng)中使用，如在鋸木廠中測(cè)量和檢查樹干。

然而，如果可以接受高處理負(fù)載、復(fù)雜的安裝工作和更高成本，在添加結(jié)構(gòu)光后，立體視覺也適合進(jìn)行目標(biāo)測(cè)量的工業(yè)應(yīng)用。

四、激光三角測(cè)量法

在運(yùn)用激光三角測(cè)量法時(shí)，結(jié)合使用了2D相機(jī)和激光光源。在此過程中，激光將線或點(diǎn)投射在相機(jī)前的場(chǎng)景上。

激光線或點(diǎn)出現(xiàn)在相機(jī)前的對(duì)象上，由2D相機(jī)記錄。如果使相機(jī)跨過目標(biāo)或在目標(biāo)旁移動(dòng)（例如通過傳送帶），被測(cè)量對(duì)象到芯片之間的距離會(huì)改變，那么激光線或點(diǎn)的觀察角度隨它們?cè)谙鄼C(jī)圖像中的位置一起變化。這樣，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，對(duì)象和光源之間的距離就可以通過圖像中的位置坐標(biāo)計(jì)算得出。

4.1激光三角測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

+?精度極高

+?照明條件較差時(shí)仍可工作

+?可用于鏡面反射或高反光（難處理）表面

-?需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光掃描，導(dǎo)致速度較慢

-?工作距離小

-?高精度要求采用非常昂貴的單個(gè)組件

-?設(shè)置復(fù)雜、安裝成本高，導(dǎo)致總體系統(tǒng)成本高昂

-?如果沒有安全的預(yù)防措施無法保證眼睛安全

4.2激光掃描儀的應(yīng)用領(lǐng)域

激光三角測(cè)量法對(duì)于準(zhǔn)確性要求極高的應(yīng)用，常常是一種好的選擇。而對(duì)于高反光且光照條件不理想的難處理表面，也建議選擇激光三角測(cè)量法。舉例來說，在亞毫米級(jí)范圍內(nèi)測(cè)量高反光的金屬片就是激光三角測(cè)量法的典型應(yīng)用。另一個(gè)例子是對(duì)玻璃瓶進(jìn)行分揀，這種情況下對(duì)比度極小。

五、Time-of-Flight?方法

TheTime-of-Flight?方法是獲取深度數(shù)據(jù)及測(cè)量距離的非常有效的技術(shù)。ToF (Time-of-Flight)相機(jī)為每個(gè)像素提供兩種信息：亮度值（描述為灰度值）以及相機(jī)和目標(biāo)的距離（即深度值）。

ToF(Time-of-Flight)方法有兩種不同的用法：連續(xù)波和脈沖ToF (Time-of-Flight)方法?；谶B續(xù)波的Time-of-Flight測(cè)量法，是一種根據(jù)可調(diào)節(jié)亮度光源的發(fā)射光和反射光之間的相位差來進(jìn)行測(cè)量的方法。

使用脈沖ToF(Time-of-Flight)原理的相機(jī)，是根據(jù)發(fā)射光脈沖和反射光脈沖之間的時(shí)間延遲來確定距離。

ToF(Time-of-Flight)相機(jī)是一個(gè)緊湊的系統(tǒng)，沒有可移動(dòng)部件，它由以下組件組成：

1）主動(dòng)集成光源

2）集成鏡頭

3）ToF（Time-of-Flight）芯片

光源會(huì)發(fā)出光脈沖，光擊中物體后會(huì)反射回相機(jī)芯片，集成鏡頭能夠確保反射回來的光可以擊中芯片。簡單而言，即根據(jù)光線從發(fā)出到返回芯片所需的時(shí)間，可以確定距離，進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)像素的深度值。借助此過程就可以簡單、實(shí)時(shí)地描繪出散點(diǎn)圖/深度圖，并同時(shí)提供一幅強(qiáng)度與置信圖。

5.1 TOF的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

+?一次記錄場(chǎng)景，無需掃描

+?高速度

+?在多部分圖像中提供2D和3D信息

+?高X/Y分辨率

+?系統(tǒng)緊湊，無移動(dòng)組件

+?在低光條件下工作理想

+?確保眼睛安全

+?無結(jié)構(gòu)或?qū)Ρ榷纫?/p>

+?只要提供足夠強(qiáng)的光源，可以實(shí)現(xiàn)長工作距離

+?總體系統(tǒng)成本低

+?可實(shí)現(xiàn)高度實(shí)時(shí)性

-?鏡面反射及高反光（難處理）表面存在問題

-?對(duì)雜散光敏感

5.2 ToF (Time-of-Flight)的典型應(yīng)用領(lǐng)域

ToF相機(jī)適合用于要求工作距離長、高速成像、復(fù)雜度低的應(yīng)用。如果想要相機(jī)具備上述幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)預(yù)算經(jīng)費(fèi)有限，不要求具備毫米級(jí)以下的精度，那么ToF技術(shù)就是合適的選擇。

物流、碼垛和卸垛任務(wù)的容積測(cè)量以及物流環(huán)境中的自動(dòng)駕駛車輛都適合采用ToF (Time-of-Flight)相機(jī)。ToF(Time-of-Flight)相機(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域也獲得了令人興奮的新任務(wù)，那就是定位和監(jiān)測(cè)患者。在工業(yè)領(lǐng)域中，由于ToF (Time-of-Flight)相機(jī)的深度精度相對(duì)較低，采用這種相機(jī)的系統(tǒng)更適合一般化任務(wù)，如較大對(duì)象的選擇和放置應(yīng)用。它們還可以用于機(jī)器人控制系統(tǒng)或大型對(duì)象的測(cè)量和位置檢測(cè)，例如用于汽車制造。

六、3D技術(shù)的比較