工業(yè)4.0時代，三維機(jī)器視覺備受關(guān)注，目前，三維機(jī)器視覺成像方法主要分為光學(xué)成像法和非光學(xué)成像法，這之中，光學(xué)成像法是市場主流。

　　飛行時間3D成像

　　飛行時間成像（Time of Flight），簡稱TOF，是通過給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來得到目標(biāo)物距離。光發(fā)射出去后，會被物體反射回來，并且被相機(jī)檢測到。

　　目前市面上的 ToF 產(chǎn)品按技術(shù)路線可以分為兩大類：1.DToF（直接測量飛行時間，direct-ToF）；2.IToF（間接測量飛行時間，indirect-ToF）。 DTOF測量發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間間隔。其核心組件主要有VCSEL、單光子雪崩光電二極管SPAD，以及時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）。DTOF會在單幀測量時間內(nèi)發(fā)射和接收N次光信號，然后對記錄的N次飛行時間做直方圖統(tǒng)計，其中出現(xiàn)頻率最高的飛行時間tof用于計算目標(biāo)距離。 ITOF大部分間接測量方案都是采用了一種測相位偏移的方法，即發(fā)射正弦波/方波與接收正弦波/方波之間相位差。 從應(yīng)用角度來說，DToF功耗低，體積小適合于在較小的設(shè)備使用，并且由于抗擾性較好，在戶外的使用上也更勝一籌。并且由于DToF的原理，測量距離增大時精度不會大幅衰減，能耗也不會大幅提升。而IToF的圖像分辨率較高，在物體識別，3D重建以及行為分析等應(yīng)用場景中能夠重現(xiàn)場景中更多的細(xì)節(jié)信息。 總體而言，TOF成像可用于大視野、遠(yuǎn)距離、低精度、低成本的3D圖像采集，其特點(diǎn)是：檢測速度快、視野范圍較大、工作距離遠(yuǎn)、價格便宜，但精度低，易受環(huán)境光的干擾。例如Camcueb3.0具有可靠的深度精度（《3mm @ 4m），每個像素對應(yīng)一個3D數(shù)據(jù)。

　　掃描3D成像

　　三維掃描的基本定義是通過一定方法獲取被掃描物體的幾何構(gòu)造和表面圖像。掃描3D成像方法可分為掃描測距、主動三角法、色散共焦法。 掃描測距是利用一條準(zhǔn)直光束通過1D測距掃描整個目標(biāo)表面實(shí)現(xiàn)3D測量的；主動三角法是基于三角測量原理，利用準(zhǔn)直光束、一條或多條平面光束掃描目標(biāo)表面完成3D成像，如圖2所示。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， 如圖3所示。

　　圖3

　　三維掃描成像的最大優(yōu)點(diǎn)是測量精度高。但缺點(diǎn)是速度慢、效率低；用于機(jī)械手臂末端時，可實(shí)現(xiàn)高精度3D測量，但不適合機(jī)械手臂實(shí)時3D引導(dǎo)與定位，因此應(yīng)用場合有限。 三維掃描應(yīng)用的領(lǐng)域有：（1）逆向工程。通過三維掃描獲取物品三維信息，然后輸入到軟件中進(jìn)行修改，完善，最后得到精確的三維模型。（2）產(chǎn)品檢測。三維掃描被應(yīng)用于生產(chǎn)線上，檢測產(chǎn)品的形狀，控制產(chǎn)品的質(zhì)量。（3）生物醫(yī)療領(lǐng)域。例如牙齒矯正，器官復(fù)制等。（4）考古領(lǐng)域。例如文物復(fù)制。

　　結(jié)構(gòu)光投影3D成像

　　結(jié)構(gòu)光技術(shù)就是使用提前設(shè)計好的具有特殊結(jié)構(gòu)的圖案（比如離散光斑、條紋光、編碼結(jié)構(gòu)光等），然后將圖案投影到三維空間物體表面上，使用另外一個相機(jī)觀察在三維物理表面成像的畸變情況。如果結(jié)構(gòu)光圖案投影在該物體表面是一個平面，那么觀察到的成像中結(jié)構(gòu)光的圖案就和投影的圖案類似，沒有變形，只是根據(jù)距離遠(yuǎn)近產(chǎn)生一定的尺度變化。但是，如果物體表面不是平面，那么觀察到的結(jié)構(gòu)光圖案就會因為物體表面不同的幾何形狀而產(chǎn)生不同的扭曲變形，而且根據(jù)距離的不同而不同，根據(jù)已知的結(jié)構(gòu)光圖案及觀察到的變形，就能根據(jù)算法計算被測物的三維形狀及深度信息。

　　結(jié)構(gòu)光投影三維成像目前是機(jī)器人3D視覺感知的主要方式。其成像系統(tǒng)是由若干個投影儀和相機(jī)組成，常用的結(jié)構(gòu)形式有：單投影儀-單相機(jī)、單投影儀-雙相機(jī)、單投影儀-多相機(jī)、單相機(jī)-雙投影儀和單相機(jī)-多投影儀等。根據(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(shí)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(yùn)動物體的3D成像，如機(jī)器人實(shí)時運(yùn)動引導(dǎo)，手眼機(jī)器人對生產(chǎn)線上連續(xù)運(yùn)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(jī)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：精度容易受到投影儀、相機(jī)的非線性和環(huán)境變化的影響且抗振動性能差，不合適測量連續(xù)運(yùn)動的物體；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(diǎn)。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。

　　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(diǎn)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。目前立體視覺3D成像方法可以分為單目視覺、雙目視覺、多（目）視覺和光場3D成像等。 單目視覺深度感知線索通常有：透視、焦距差異、多視覺成像、覆蓋、陰影、運(yùn)動視差等。在機(jī)器人視覺里還可以用鏡像1，以及其他 shape from X10等方法實(shí)現(xiàn)。 雙目視覺深度感知視覺線索有：眼睛的收斂位置和雙目視差。在機(jī)器視覺里利用兩個相機(jī)從兩個視點(diǎn)對同一個目標(biāo)場景獲取兩個視點(diǎn)圖像再計算兩個視點(diǎn)圖像中同名點(diǎn)的視差獲得目標(biāo)場景的3D深度信息。 典型的雙目立體視覺計算過程包含下面四個步驟：圖像畸變矯正、立體圖像校正、圖像配準(zhǔn)和三角法重投影視差圖計算，如下圖。

　　圖5 雙目立體視覺系統(tǒng)與計算過程示意圖

　　多（目）視覺成像也稱多視點(diǎn)立體成像，用單個或多個相機(jī)從多個視點(diǎn)獲取同一個目標(biāo)場景的多幅圖像，重構(gòu)目標(biāo)場景的三維信息。其基本原理如下圖所示。

　　圖6 多視點(diǎn)成像基本原理

　　多視點(diǎn)立體成像主要用于下列幾種場景：使用多個相機(jī)從不同視點(diǎn)，獲取同一個目標(biāo)場景多幅圖像，然后基于特征的立體重構(gòu)等算法求取場景深度和空間結(jié)構(gòu)信息；從運(yùn)動恢復(fù)形狀（SM）的技術(shù)。使用同一相機(jī)在其內(nèi)參數(shù)不變的條件下，從不同視點(diǎn)獲取多幅圖像，重構(gòu)目標(biāo)場景的三維信息。該技術(shù)常用于跟蹤目標(biāo)場景中大量的控制點(diǎn)，連續(xù)恢復(fù)場景的3D結(jié)構(gòu)信息、相機(jī)的姿態(tài)和位置。

　　編輯：黃飛