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3D機器視覺的技術路徑和場景適用

Edited by 4thInstitute

一、3D相機的典型應用領域:

1）在工業環境中自動駕駛車輛（如叉車）檢測障礙和進行“人工”導航

2）機器人控制的傳送帶抓取作業或零件拾取作業

3）進行有無檢測，即使容器/箱子中的對象相比背景根本沒有對比度，也可以對其進行檢查和計數

4）對電路板上的組件進行位置和有無檢查

5）對各種對象進行體積測量等

二、流行的3D技術

3D圖像處理常使用的技術包括：

1）立體視覺和結構光

2）激光三角測量法

3）ToF(Time-of-Flight)

三、立體視覺和結構光

立體視覺的工作原理依照人類的一雙眼睛。使用兩個相機記錄一個對象的兩個2D圖像。并且，從兩個不同的位置記錄同樣的場景，借助三角測量原理，使用深度信息合成一幅三維圖像。

立體視覺使用從兩個普通的2D面陣相機提供的圖像數據，為場景提供深度值。同時，根據相機位置以及應用的幾何信息對圖像進行調整。在調整后，使用匹配算法搜索右側和左側的對應點，創建場景的深度圖像。

此方法運行的工作距離取決于基準（相機之間的距離），因此因情況而異。

提高立體系統性能的一種方式是向立體解決方案添加結構光。通過使用光源將明亮的幾何圖案投射在場景上，可以提高測量結果的準確度，這顯著降低因均質表面和低光造成的立體影像缺陷。通過校準投射燈和相機，甚至可以不使用第二臺相機。

3.1立體視覺的優點和缺點

+?可以在較短距離內獲得高精度

+?可以使用2D面陣相機

+?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

-?不能用于均質表面

-?在低光照條件下不能運行

-?高計算能力導致實時性難以實現

3.2結構光的優點和缺點

+?可以在較短距離內獲得高精度

+?可以使用2D面陣相機

+?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

-?高計算負載導致實時性難以實現

-?設置復雜、安裝成本高，導致總體系統成本高昂

3.3立體視覺和結構光的典型應用領域

立體視覺可以實現較高精度。難處理表面不會對立體視覺造成較大影響，但始終要求對象存在少量參考標記或隨機圖案。這意味著這種技術一般不太適合在生產環境中使用。立體視覺通常的應用范圍包括：坐標測量技術，工業、服務或機器人系統方面應用的對象和工作區的3D測量，以及危險工作區或人類無法進入的工作區的3D顯示。立體系統也非常適合在室外區域的測量系統中使用，如在鋸木廠中測量和檢查樹干。

然而，如果可以接受高處理負載、復雜的安裝工作和更高成本，在添加結構光后，立體視覺也適合進行目標測量的工業應用。

四、激光三角測量法

在運用激光三角測量法時，結合使用了2D相機和激光光源。在此過程中，激光將線或點投射在相機前的場景上。

激光線或點出現在相機前的對象上，由2D相機記錄。如果使相機跨過目標或在目標旁移動（例如通過傳送帶），被測量對象到芯片之間的距離會改變，那么激光線或點的觀察角度隨它們在相機圖像中的位置一起變化。這樣，通過數學運算，對象和光源之間的距離就可以通過圖像中的位置坐標計算得出。

4.1激光三角測量法的優點和缺點

+?精度極高

+?照明條件較差時仍可工作

+?可用于鏡面反射或高反光（難處理）表面

-?需要對目標進行激光掃描，導致速度較慢

-?工作距離小

-?高精度要求采用非常昂貴的單個組件

-?設置復雜、安裝成本高，導致總體系統成本高昂

-?如果沒有安全的預防措施無法保證眼睛安全

4.2激光掃描儀的應用領域

激光三角測量法對于準確性要求極高的應用，常常是一種好的選擇。而對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量法。舉例來說，在亞毫米級范圍內測量高反光的金屬片就是激光三角測量法的典型應用。另一個例子是對玻璃瓶進行分揀，這種情況下對比度極小。

五、Time-of-Flight?方法

TheTime-of-Flight?方法是獲取深度數據及測量距離的非常有效的技術。ToF (Time-of-Flight)相機為每個像素提供兩種信息：亮度值（描述為灰度值）以及相機和目標的距離（即深度值）。

ToF(Time-of-Flight)方法有兩種不同的用法：連續波和脈沖ToF (Time-of-Flight)方法。基于連續波的Time-of-Flight測量法，是一種根據可調節亮度光源的發射光和反射光之間的相位差來進行測量的方法。

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

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

1）主動集成光源

2）集成鏡頭

3）ToF（Time-of-Flight）芯片

光源會發出光脈沖，光擊中物體后會反射回相機芯片，集成鏡頭能夠確保反射回來的光可以擊中芯片。簡單而言，即根據光線從發出到返回芯片所需的時間，可以確定距離，進而計算出每個像素的深度值。借助此過程就可以簡單、實時地描繪出散點圖/深度圖，并同時提供一幅強度與置信圖。

5.1 TOF的優點和缺點

+?一次記錄場景，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

+?系統緊湊，無移動組件

+?在低光條件下工作理想

+?確保眼睛安全

+?無結構或對比度要求

+?只要提供足夠強的光源，可以實現長工作距離

+?總體系統成本低

+?可實現高度實時性

-?鏡面反射及高反光（難處理）表面存在問題

-?對雜散光敏感

5.2 ToF (Time-of-Flight)的典型應用領域

ToF相機適合用于要求工作距離長、高速成像、復雜度低的應用。如果想要相機具備上述幾點優勢，同時預算經費有限，不要求具備毫米級以下的精度，那么ToF技術就是合適的選擇。

物流、碼垛和卸垛任務的容積測量以及物流環境中的自動駕駛車輛都適合采用ToF (Time-of-Flight)相機。ToF(Time-of-Flight)相機在醫療領域也獲得了令人興奮的新任務，那就是定位和監測患者。在工業領域中，由于ToF (Time-of-Flight)相機的深度精度相對較低，采用這種相機的系統更適合一般化任務，如較大對象的選擇和放置應用。它們還可以用于機器人控制系統或大型對象的測量和位置檢測，例如用于汽車制造。

六、3D技術的比較