3D視覺技術(shù)分類及特點(diǎn)

技術(shù)原理

從技術(shù)原理上來看，3D視覺技術(shù)主要包括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、人為控制光源對物體目標(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)特性來獲取目標(biāo)的三維信息。其特點(diǎn)是具有較高的測距精度、抗干擾能力和實(shí)時(shí)性，具有代表性的主動測距方法有結(jié)構(gòu)光法、飛行時(shí)間法、和三角測距法。被動測距技術(shù)不需要人為地設(shè)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(yīng)性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)手段靈活、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

圖 3D視覺技術(shù)分類及特點(diǎn)

1、雙目視覺法

雙目立體視覺的基本原理是從兩個視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過三角測量原理計(jì)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。

在雙目立體視覺系統(tǒng)中，通常采用兩個攝像機(jī)作為視覺信號的采集設(shè)備，左右攝像頭（人眼）獲取同一場景并發(fā)送數(shù)據(jù)給圖像處理器（大腦）。圖像處理器通過計(jì)算兩幅圖像在同一像素的相關(guān)偏移獲取深度值。像素的深度值經(jīng)過處理后成為一幀深度圖。3D深度提供了2D所無法具備的信息，這些信息能夠幫助我們理解3D空間的形狀、尺寸、距離以及周邊的移動。

2、結(jié)構(gòu)光法

根據(jù)投影光束形態(tài)的不同，結(jié)構(gòu)光又可分為散斑結(jié)構(gòu)光、條紋結(jié)構(gòu)光等。

結(jié)構(gòu)光測量中將預(yù)先確定的光圖案被投射于物件上，然后透過分析圖案如何失真變形而取得深度信息。結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)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(qū)域都可進(jìn)行精密的測量。其缺點(diǎn)是對設(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)。

3、飛行時(shí)間法（ToF）

飛行時(shí)間（Time of Flight，簡稱ToF）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(fā)射和接收脈沖激光信號的時(shí)間差可實(shí)現(xiàn)被測量表面每個像素的距離測量。

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。

4、三角測距法

三角測距法又稱主動三角法，是基于光學(xué)三角原理，根據(jù)光源、物體和檢測器三者之間的幾何成像關(guān)系來確定空間物體各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在實(shí)際測量過程中，它常用激光作為光源，用CCD相機(jī)作為檢測器。三角法針對一條光束的幾何偏移量進(jìn)行測量，其數(shù)值與物件高度相關(guān)。這是一種基于物件掃描的單維成像方法。激光點(diǎn)出現(xiàn)于攝影機(jī)視野范圍內(nèi)的不同位置，具體取決于激光打在物件表面的距離范圍。由于激光點(diǎn)、攝影機(jī)與激光發(fā)射器形成了一個三角形，因此這種方法被稱為三角法。

位移與位置監(jiān)控應(yīng)用要求高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性以及低溫度變化，因此，一般采用高精度激光。三角法的缺點(diǎn)在于這種方法只能覆蓋到一段較小的距離范圍，易受環(huán)境光線影響，并且制于掃描應(yīng)用。同時(shí)，它需要用到復(fù)雜演算法與校正，而且受到結(jié)構(gòu)性或復(fù)雜表面的影響。