三維視覺測量技術(shù)按照測量過程中是否投射光源，獲取被測物體三維形貌信息的方法可以分為兩大類: 被動(dòng)視覺測量和主動(dòng)視覺測量。

一、被動(dòng)視覺測量

被動(dòng)視覺測量不需要特殊的照明投射裝置，僅利用相機(jī)拍攝被測物的圖像，建立被測物與相機(jī)之間的相對位置關(guān)系，從而獲取被測物表面的三維信息。被動(dòng)視覺測量所需硬件相對簡單。根據(jù)所采用相機(jī)的數(shù)目，被動(dòng)視覺測量可分為:單目視覺測量、雙目視覺測量和多目視覺測量等。

①單目視覺測量。單目三維視覺測量方法主要分為傳統(tǒng)方法和基于深度學(xué)習(xí)的方法兩大類。傳統(tǒng)方法有從聚焦恢復(fù)深度( shape from focus，SFF)、從運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)( structure from motion，SFM) 和即時(shí)定位與地圖重建 ( simultaneous localization and mapping，SLAM) 等。SFF 通過移動(dòng)物體來采集圖像序列，基于圖像聚焦程度進(jìn)行分析，完成三維重建，多用于顯微三維視覺測量領(lǐng)域。SFM 和 SLAM 方法原理相似，利用序列圖像幀間的運(yùn)動(dòng)估計(jì)出相機(jī)姿態(tài)信息，然后基于圖像序列采用三角測量法來恢復(fù)場景的三維信息?；谏疃葘W(xué)習(xí)的單目三維重建是近年新提出的方法。該方法利用大量樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后通過網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)場景深度獲取。

②雙目視覺測量。與人眼的立體感知類似，雙目立體視覺用兩個(gè)相機(jī)從不同的角度對被測物體成像。依據(jù)兩幅圖像中對應(yīng)點(diǎn)的立體視差( stereo disparity) ，根據(jù)三角測量原理實(shí)現(xiàn)三維信息測量。雙目立體視覺直觀、傳感器結(jié)構(gòu)簡單且測量精度較高，主要挑戰(zhàn)在于圖像中同名像點(diǎn)的確定。

圖為 雙目立體視覺模型

③多目視覺測量。為減少雙目立體視覺測量中同名像點(diǎn)匹配的多義性，在雙目立體視覺測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一臺(tái)或多臺(tái)輔助相機(jī)，構(gòu)成多目視覺測量系統(tǒng)。通過多個(gè)相機(jī)間需滿足的成像幾何約束可減少誤匹配現(xiàn)象，且可以通過光束平差提高測量精度，但計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)增加，降低測量速度和效率。

圖 多目視覺測量模型

二、主動(dòng)視覺測量

主動(dòng)視覺測量與被動(dòng)視覺測量最大的不同在于需要向被測物體投射光源( 點(diǎn)、條紋、圖案和散斑等) ，相機(jī)拍攝包含光源的反射光或透射光的被測物體表面圖像，利用成像幾何關(guān)系所建立的數(shù)學(xué)模型解算出被測物體三維結(jié)構(gòu)信息。

主動(dòng)視覺測量利用結(jié)構(gòu)光在物體表面形成明顯的特征，對于光滑、紋理缺乏、無明顯灰度或形狀變化的表面區(qū)域，可以避免同名點(diǎn)不易匹配的難題，改善三維信息的獲取精度。根據(jù)投射光源的模式，主動(dòng)視覺測量可以分為點(diǎn)掃描式、( 多) 線掃描式、編碼光式以及飛行時(shí)間法( 脈沖測距法) 等。

①點(diǎn)掃描式。點(diǎn)掃描式測量時(shí)，激光器發(fā)出的光束在被測物體表面形成一個(gè)光點(diǎn)，經(jīng)被測物體表面漫反射后入射到 CCD ( charge coupled device) 像面( 線) 。利用圖像檢測技術(shù)，獲得成像光斑的中心坐標(biāo)，通過已標(biāo)定數(shù)值的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到被測物體表面的三維坐標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)對被測物體的完整三維測量，需要采用不同的掃描方式，讓光點(diǎn)覆蓋被測物表面。典型的有: 激光器二維移動(dòng)掃描、激光器旋轉(zhuǎn)掃描、平面鏡同步掃描 、旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描(以及基于 AOD( acousto optic deflector) 的無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件掃描(等。

圖為 平面鏡偏轉(zhuǎn)式三維形貌測量原理圖

②線掃描式。線掃描方式利用光源擴(kuò)束后形 成的光條掃描被測物體表面，通過對獲取的圖像進(jìn)行分析，結(jié)合光條在被測物體表面的位置得到物體三維信息。其原理與點(diǎn)掃描式相同，用光條代替了光點(diǎn)，效率得到提高; 且單一光條特征，不存在同名點(diǎn)匹配的問題。根據(jù)應(yīng)用方式可分為雙軸激光掃描法、遠(yuǎn)心掃描法和光條掃描法等。

在單線結(jié)構(gòu)光的基礎(chǔ)上增加投射光條的數(shù)量，形成了多線結(jié)構(gòu)光掃描。相比較于單線結(jié)構(gòu)光法系統(tǒng)的測量速度更高。一般用雙相機(jī)約束或深度約束來消除多線之間的誤匹配問題。

圖 多線結(jié)構(gòu)光法

③面結(jié)構(gòu)光式。面結(jié)構(gòu)光三維測量需要將二維結(jié)構(gòu)光圖案( 光條、光柵或其他光圖樣) 投射到被測物體表面上，通過對采集編碼圖樣分析計(jì)算得到物體的表面三維信息。每次可以獲取被測對象上一個(gè)區(qū)域的三維信息，所以測量效率在所有結(jié)構(gòu)光方法中最高。系統(tǒng)中無運(yùn)動(dòng)部件，編碼光與接收器的相對位置不變。

面結(jié)構(gòu)光的編碼方式可以分為空間編碼和時(shí)間編碼?？臻g編碼只有一種投射模式，常見的有: 彩色條紋和散斑等。時(shí)間編碼包含兩種及以上的投射模式，分時(shí)投射，常見的有: 二進(jìn)制編碼、格雷碼和正弦條紋等。

圖 面結(jié)構(gòu)光法

三、主被動(dòng)結(jié)合的視覺測量法

主被動(dòng)結(jié)合視覺測量是在被動(dòng)視覺測量系統(tǒng)中增加投射器，投射特定光源模式到被測物體表面，借助于投射的光源模式，可以解決被動(dòng)雙目視覺中的匹配難題，從而提高匹配精度及測量精度。投射器提供了便于測量的特征，其與相機(jī)之間的關(guān)系不要求已知。

審核編輯：湯梓紅