機器視覺系統(tǒng)的三維成像方式都有哪些？康耐德來告訴你！

       3D視覺成像可分為光學(xué)和非光學(xué)成像方式。現(xiàn)在應(yīng)用最多的還是光學(xué)方式，其包括：飛行時間法、激光掃描法、激光投影成像、立體視覺成像等。

飛行時間3D成像

　　飛行時間(TOF)相機每個像素利用光飛行的時間差來獲得物體的深度?，F(xiàn)在已經(jīng)有飛行時間面陣相機商業(yè)化產(chǎn)品，如MesaImagingAGSR-4000，PMDTechnologiesCamCube3.0，微軟KinectV2等。

　　TOF成像可用于大視野、遠(yuǎn)距離、低精確度、低成本的3D圖像采集，其特點是：檢測速度快、視野范圍較大、工作距離遠(yuǎn)、價格實惠，但精確度低，易受環(huán)境光的影響。例如Camcueb3.0具有可靠的深度精確度(<3mm@4m)，每個像素對應(yīng)一個3D數(shù)據(jù)。

掃描3D成像

　　掃描3D成像方法可分為掃描測距、主動三角法、色散共焦法。掃描測距是借助一道準(zhǔn)直光束通過1D測距掃描整個物件表面實現(xiàn)3D精確測量的。主動三角法是基于三角測量原理，借助準(zhǔn)直光束、一道或多道平面光束掃描物件表面實現(xiàn)3D成像。色散共焦通過分析反射光束的光譜，獲得對應(yīng)光譜光的聚集位置。

　　掃描3D成像的最大優(yōu)勢是測量精度高。其中色散共焦法還有其它方法難以比擬的優(yōu)勢，如特別適合精確測量透明物件、高反與光滑表面的物件。但缺點是速度慢、效率低;用于機械手臂末端時，可實現(xiàn)高精度3D精確測量，但不適合機械手臂實時3D引導(dǎo)與定位，所以運用場景比較有限。此外主動三角掃描在精確測量復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面時容易造成遮擋，需要通過有效規(guī)劃末端路徑與姿態(tài)來解決。

立體視覺3D成像

　　立體視覺字面意思是用一只眼睛或兩只眼睛感知三維結(jié)構(gòu)，一般情況下是指從不同的視點獲取兩幅或多幅圖像重構(gòu)目標(biāo)物體3D結(jié)構(gòu)或深度信息，

　　立體視覺可分為被動和主動兩種形式。被動視覺成像只依賴相機接收到的由目標(biāo)場景產(chǎn)生的光輻射信息，該輻射信息通過2D圖像像素灰度值進(jìn)行度量。被動視覺常用于特定條件下的3D成像場合，如室內(nèi)、目標(biāo)場景光輻射動態(tài)范圍不大和無遮擋;場景表面非光滑，且紋理清晰，容易通過立體匹配尋找匹配點;或者像大多數(shù)工業(yè)零部件，幾何規(guī)則明顯，控制點比較容易確定等。

　　主動立體視覺是利用光調(diào)制(如編碼結(jié)構(gòu)光、激光調(diào)制等)照射目標(biāo)場景，對目標(biāo)場景表面的點進(jìn)行編碼標(biāo)記，然后對獲取的場景圖像進(jìn)行解碼，以便可靠地求得圖像之間的匹配點，再通過三角法求解場景的3D結(jié)構(gòu)。主動立體視覺的優(yōu)點是抗干擾性能強、對環(huán)境要求不高(如通過帶通濾波消除環(huán)境光干擾)，3D測量精度、重復(fù)性和可靠性高;缺點是對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的場景容易產(chǎn)生遮擋問題。

　　基于結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)和3D物體識別技術(shù)開發(fā)的機器人3D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)，可對較大測量深度范圍內(nèi)散亂堆放的零件進(jìn)行全自由的定位和拾取。相比傳統(tǒng)的2D視覺定位方式只能對固定深度零件進(jìn)行識別且只能獲取零件的部分自由度的位置信息，具有更高的應(yīng)用柔性和更大的檢測范圍?？蔀闄C床上下料、零件分揀、碼垛堆疊等工業(yè)問題提供有效的自動化解決方案。

結(jié)構(gòu)光投影3D成像

　　結(jié)構(gòu)光投影三維成像目前是機器人3D視覺感知的主要方法。結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)是由數(shù)個投影儀和相機組成，常用的結(jié)構(gòu)形式有：單投影儀-單相機、單投影儀-雙相機、單投影儀-多相機、單相機-雙投影儀和單相機-多投影儀等。結(jié)構(gòu)光投影三維成像的基本工作原理是：投影儀向目標(biāo)物體投射特定的結(jié)構(gòu)光照明圖案，由相機攝取被目標(biāo)調(diào)制后的圖像，再經(jīng)過圖像處理和視覺建模求出目標(biāo)物體的三維信息。

　　依據(jù)結(jié)構(gòu)光投影次數(shù)劃分，結(jié)構(gòu)光投影三維成像可以分成單次投影3D和多次投影3D方法。單次投影3D主要采用空間復(fù)用編碼和頻率復(fù)用編碼形式實現(xiàn)。由于單次投影曝光和成像時間短，抗振動性能好，適合運動物體的3D成像，如機器人實時運動引導(dǎo)，手眼機器人對生產(chǎn)線上連續(xù)運動產(chǎn)品進(jìn)行抓取等操作。但是深度垂直方向上的空間分辨率受到目標(biāo)視場、鏡頭倍率和相機像素等因素的影響，大視場情況下不容易提升。

　　多次投影3D具有較高空間分辨率，能有效地解決表面斜率階躍變化和空洞等問題。不足之處在于：

　　1)對于連續(xù)相移投影方法，3D重構(gòu)的精度容易受到投影儀、相機的非線性和環(huán)境變化的影響;

　　2)抗振動性能差，不合適測量連續(xù)運動的物體;

　　3)在視覺導(dǎo)引系統(tǒng)中，機械臂不易在連續(xù)運動時進(jìn)行3D成像和引導(dǎo);

　　4)實時性差，不過隨著投影儀投射頻率和CCD/CMOS圖像傳感器采集速度的提高，多次投影方法實時3D成像的性能也在逐步改進(jìn)。

　　對于粗糙表面，結(jié)構(gòu)光可以直接投射到物體表面進(jìn)行視覺成像;但對于大反射率光滑表面和鏡面物體3D成像，結(jié)構(gòu)光投影不能直接投射到被成像表面，需要借助鏡面偏折法。

　　偏折法對于復(fù)雜面型的測量，通常需要借助多次投影方法，因此具有多次投影方法相同的缺點。另外偏折法對曲率變化大的表面測量有一定的難度，因為條紋偏折后反射角的變化率是被測表面曲率變化率的2倍，因此對被測物體表面的曲率變化比較敏感，很容易產(chǎn)生遮擋難題。

性能比較

　　1、類似于飛行時間相機、光場相機這類的相機，可以歸類為單相機3D成像范圍，它們體積小，實時性好，適合隨動成像眼在手系統(tǒng)執(zhí)行3D測量、定位和實時引導(dǎo)。但是，飛行時間相機、光場相機短期內(nèi)還難以用來構(gòu)建普通的隨動成像眼在手系統(tǒng)，主要原因如下：

　　1)飛行時間相機空間分辨率和3D精度低，不適合高精度測量、定位與引導(dǎo)。

　　2)對于光場相機，目前商業(yè)化的工業(yè)級產(chǎn)品只有為數(shù)不多的幾家，如德國Raytrix，雖然性能較好，空間分率和精度適中，但價格貴，使用成本太高。

　　2、結(jié)構(gòu)光投影3D系統(tǒng)，精度和成本適中，有相當(dāng)好的應(yīng)用市場前景。它由若干個相機-投影儀組成的，如果把投影儀當(dāng)作一個逆向的相機，可以認(rèn)為該系統(tǒng)是一個雙目或多目3D三角測量系統(tǒng)。

　　3、被動立體視覺3D成像，目前在工業(yè)領(lǐng)域也得到較好應(yīng)用，但應(yīng)用場合有限。因為單目立體視覺實現(xiàn)有難度，雙目和多目立體視覺要求目標(biāo)物體紋理或幾何特征清晰。

　　4、結(jié)構(gòu)光投影3D、雙目立體視覺3D都存在下列缺點：體積較大，容易產(chǎn)生遮擋。針對這個問題雖然可以增加投影儀或相機覆蓋被遮擋的區(qū)域，但會增加成像系統(tǒng)的體積，減少在幾時視覺系統(tǒng)中應(yīng)用的靈活性。