三維視覺成像作為當(dāng)前工業(yè)視覺信息感知的核心技術(shù)，隨著工業(yè)4.0時(shí)代的臨近，3D視覺成像在制造業(yè)的熱度也愈加高漲，下面我們將通過三種常見的三種光學(xué)三維視覺成像技術(shù)為大家做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹！

飛行時(shí)間法（通過光線的時(shí)間差恢復(fù)深度）

飛行時(shí)間（Time of Flight，ToF）3D成像是一種通過給測(cè)量光脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間差來獲取深度信息的技術(shù)，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(cè)光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來得到目標(biāo)物距離的一種成像技術(shù)。根據(jù)測(cè)距方式的不同，還可以分為直接測(cè)量飛行時(shí)間（D-ToF）和間接測(cè)量飛行時(shí)間（I-ToF）。

直接測(cè)量飛行時(shí)間（D-ToF）通過向被測(cè)物體發(fā)射和接收N次光信號(hào)，然后對(duì)接收到的光信號(hào)的飛行時(shí)間進(jìn)行直接統(tǒng)計(jì)，其中出現(xiàn)頻率最高的飛行時(shí)間被用來計(jì)算被測(cè)物體的景深。DTOF測(cè)量的是發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間間隔。

計(jì)算公式為：測(cè)量距離=(光子傳播時(shí)間/2)*光的速度

間接測(cè)量飛行時(shí)間（I-ToF），全稱indirect Time of Flight，即iTof是通過測(cè)量相位偏移來間接測(cè)量光的飛行時(shí)間，而非直接測(cè)量飛行時(shí)間。大多數(shù)ITOF間接測(cè)量方案使用測(cè)量相位偏移的方法，即發(fā)射正弦波/方波和接收正弦波/方波之間的相位差。

相位到距離深度計(jì)算公式為：

C:光的速度。

fm:設(shè)制頻率。

在測(cè)量精度上，dTof的測(cè)量精度不會(huì)隨著測(cè)量距離的增大而降低，iTof的測(cè)量精度會(huì)受到測(cè)量距離的影響。在功耗上，由于dTof采用脈沖波，能夠達(dá)到超低占空比，所以功耗低。而iTof隨著測(cè)量距離的增大，需要提高光照功率或者延長曝光時(shí)間來獲取更高的精度，因此所需的功耗也會(huì)大幅增加。整體而言，TOF成像的特點(diǎn)是檢測(cè)速度快、視場(chǎng)大、工作距離遠(yuǎn)，價(jià)格相對(duì)便宜，但精度不盡如人意，易受環(huán)境光線的影響。

結(jié)構(gòu)光法（散斑投射）

結(jié)構(gòu)光法是目前運(yùn)用最廣泛的一種視覺成像技術(shù)，也是目前是機(jī)器人3D視覺感知的主要方式，適用于各種表面紋理的物體，測(cè)量精度較高。

結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)是由若干個(gè)投影儀和相機(jī)組成，常用的結(jié)構(gòu)形式有：?jiǎn)瓮队皟x-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)-多投影儀等典型結(jié)構(gòu)形式。常用的投影儀主要有下列幾種類型：液晶投影（LCD）、數(shù)字光調(diào)制投影（DLP，如數(shù)字微鏡器件（DMD）、激光LED圖案直接投影。

原理：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(jī)攝取被目標(biāo)調(diào)制后的圖像，再通過圖像處理和視覺模型求出目標(biāo)物體的三維信息。根據(jù)結(jié)構(gòu)光投影次數(shù)，可以分成單次投影3D和多次投影3D方法。

單次投影結(jié)構(gòu)光主要采用空間復(fù)用編碼和頻率復(fù)用編碼形式實(shí)現(xiàn)，常用的編碼形式有：彩色編碼、灰度索引、幾何形狀編碼和隨機(jī)斑點(diǎn)。目前在機(jī)器人手眼系統(tǒng)應(yīng)用中，對(duì)于三維測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，如碼垛、拆垛、三維抓取等，比較受歡迎的是投射偽隨機(jī)斑點(diǎn)獲得目標(biāo)三維信息。

多次投影3D方法主要采用時(shí)間復(fù)用編碼方式實(shí)現(xiàn)，常用的圖案編碼形式有：二進(jìn)制編碼、多頻相移編碼τ35和混合編碼法（如格雷碼十相移條紋）等。

條紋投影3D成像基本原理是利用計(jì)算機(jī)生成結(jié)構(gòu)光圖案或用特殊的光學(xué)裝置產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，經(jīng)過光學(xué)投影系統(tǒng)投射至被測(cè)物體表面，然后采用圖像獲取設(shè)備（如CCD或CMOS相機(jī)）采集被物體表面調(diào)制后發(fā)生變形的結(jié)構(gòu)光圖像，利用圖像處理算法計(jì)算圖像中每個(gè)像素點(diǎn)與物體輪廓上點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及其標(biāo)定技術(shù)，計(jì)算得到被測(cè)物體的三維輪廓信息。

在實(shí)際應(yīng)用中，常采用格雷碼投影、正弦相移條紋投影或格雷碼十正弦相移混合投影3D技術(shù)。

立體視覺成像

立體視覺成像是用一只眼睛或兩只眼睛感知三維結(jié)構(gòu)，通過從不同視點(diǎn)獲取兩幅或多幅圖像，然后根據(jù)圖像中的差異進(jìn)行模型重建，從而得到目標(biāo)物體的三維結(jié)構(gòu)或深度信息。根據(jù)重建所需圖像數(shù)量的不同，立體視覺法主要分為單幅圖像法、基于雙目視覺法以及多目立體視覺法。

單目視覺成像

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(dòng)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)。

雙目視覺成像

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(gè)相機(jī)從兩個(gè)視點(diǎn)對(duì)同一個(gè)目標(biāo)場(chǎng)景獲取兩個(gè)視點(diǎn)圖像再計(jì)算兩個(gè)視點(diǎn)圖像中同名點(diǎn)的視差獲得目標(biāo)場(chǎng)景的3D深度信息。

典型的雙目立體視覺計(jì)算過程包含下面四個(gè)步驟：圖像畸變矯正、立體圖像對(duì)校正、圖像配準(zhǔn)和三角法重投影視差圖計(jì)算。

多（目）視覺成像

也稱多視點(diǎn)立體成像，用單個(gè)或多個(gè)相機(jī)從多個(gè)視點(diǎn)獲取同一個(gè)目標(biāo)場(chǎng)景的多幅圖像，重構(gòu)目標(biāo)場(chǎng)景的三維信息。其基本原理如下圖所示。

多視點(diǎn)立體成像主要用于下列幾種場(chǎng)景：

1）使用多個(gè)相機(jī)從不同視點(diǎn)，獲取同一個(gè)目標(biāo)

場(chǎng)景多幅圖像，然后基于特征的立體重構(gòu)等算法求取場(chǎng)景深度和空間結(jié)構(gòu)信息

2）從運(yùn)動(dòng)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(chǎng)景的三維信息。該技術(shù)常用于跟蹤目標(biāo)場(chǎng)景中大量的控制點(diǎn)，連續(xù)恢復(fù)場(chǎng)景的3D結(jié)構(gòu)信息、相機(jī)的姿態(tài)和位置。

立體視覺成像最大的特點(diǎn)就是不需要額外的光源，傳統(tǒng)的自然光就可以滿足需求，應(yīng)用廣泛且抗干擾性強(qiáng)。但由于需要在多個(gè)相機(jī)之間建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，步驟相對(duì)繁瑣，對(duì)于表面紋理不豐富的目標(biāo)可能不夠準(zhǔn)確。

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