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3D机器视觉的技术路径和场景适用

3D机器视觉的技术途径和场景适用
Edited by 4thInstitute

一、3D相机的典型应用范畴:
1）在工业环境中自动驾驶车辆（如叉车）检测障碍和停止“人工”导航„
2）机器人控制的传送带抓取作业或零件拾取作业
3）停止有无检测，即便容器/箱子中的对象相比背景基本没有比照度，也能够对其停止检查和计数
4）对电路板上的组件停止位置和有无检查
5）对各种对象停止体积丈量等

二、盛行的3D技术

3D图像处置常运用的技术包括：

1）平面视觉和构造光
2）激光三角丈量法
3）ToF(Time-of-Flight)

三、平面视觉和构造光

平面视觉的工作原理按照人类的一双眼睛。运用两个相机记载一个对象的两个2D图像。并且，从两个不同的位置记载同样的场景，借助三角丈量原理，运用深度信息合成一幅三维图像。
平面视觉运用从两个普通的2D面阵相机提供的图像数据，为场景提供深度值。同时，依据相机位置以及应用的几何信息对图像停止调整。在调整后，运用匹配算法搜索右侧和左侧的对应点，创立场景的深度图像。
此办法运转的工作间隔取决于基准（相机之间的间隔），因而因状况而异。
进步平面系统性能的一种方式是向平面处理计划添加构造光。经过运用光源将亮堂的几何图案投射在场景上，能够进步丈量结果的精确度，这显著降低因均质外表和低光形成的平面影像缺陷。经过校准投射灯和相机，以至能够不运用第二台相机。

3.1平面视觉的优点和缺陷

+ 能够在较短间隔内取得高精度
+ 能够运用2D面阵相机
+ 阳光映照不是问题
+ 高反光（称尴尬处置外表）的状况下也能够运用
- 不能用于均质外表
- 在低光照条件下不能运转
- 高计算才能招致实时性难以完成

3.2构造光的优点和缺陷

+ 能够在较短间隔内取得高精度
+ 能够运用2D面阵相机
+ 阳光映照不是问题
+ 高反光（称尴尬处置外表）的状况下也能够运用
- 高计算负载招致实时性难以完成
- 设置复杂、装置本钱高，招致总体系统本钱昂扬

3.3平面视觉和构造光的典型应用范畴

平面视觉能够完成较高精度。难处置外表不会对平面视觉形成较大影响，但一直请求对象存在少量参考标志或随机图案。这意味着这种技术普通不太合适在消费环境中运用。平面视觉通常的应用范围包括：坐标丈量技术，工业、效劳或机器人系统方面应用的对象和工作区的3D丈量，以及风险工作区或人类无法进入的工作区的3D显现。平面系统也十分合适在室外区域的丈量系统中运用，如在锯木厂中丈量和检查树干。
但是，假如能够承受高处置负载、复杂的装置工作和更高本钱，在添加构造光后，平面视觉也合适停止目的丈量的工业应用。

四、激光三角丈量法

在运用激光三角丈量法时，分离运用了2D相机和激光光源。在此过程中，激光将线或点投射在相机前的场景上。
激光线或点呈现在相机前的对象上，由2D相机记载。假如使相机跨过目的或在目的旁挪动（例如经过传送带），被丈量对象到芯片之间的间隔会改动，那么激光线或点的察看角度随它们在相机图像中的位置一同变化。这样，经过数学运算，对象和光源之间的间隔就能够经过图像中的位置坐标计算得出。

4.1激光三角丈量法的优点和缺陷

+ 精度极高
+ 照明条件较差时仍可工作
+ 可用于镜面反射或高反光（难处置）外表
- 需求对目的停止激光扫描，招致速度较慢
- 工作间隔小
- 高精度请求采用十分昂贵的单个组件
- 设置复杂、装置本钱高，招致总体系统本钱昂扬
- 假如没有平安的预防措施无法保证眼睛平安

4.2激光扫描仪的应用范畴

激光三角丈量法关于精确性请求极高的应用，常常是一种好的选择。而关于高反光且光照条件不理想的难处置外表，也倡议选择激光三角丈量法。举例来说，在亚毫米级范围内丈量高反光的金属片就是激光三角丈量法的典型应用。另一个例子是对玻璃瓶停止分拣，这种状况下比照度极小。

五、Time-of-Flight 办法

TheTime-of-Flight 办法是获取深度数据及丈量间隔的十分有效的技术。ToF (Time-of-Flight)相机为每个像素提供两种信息：亮度值（描绘为灰度值）以及相机和目的的间隔（即深度值）。
ToF(Time-of-Flight)办法有两种不同的用法：连续波和脉冲ToF (Time-of-Flight)办法。基于连续波的Time-of-Flight丈量法，是一种依据可调理亮度光源的发射光和反射光之间的相位差来停止丈量的办法。
运用脉冲ToF(Time-of-Flight)原理的相机，是依据发射光脉冲和反射光脉冲之间的时间延迟来肯定间隔。
ToF(Time-of-Flight)相机是一个紧凑的系统，没有可挪动部件，它由以下组件组成：
1）主动集成光源
2）集成镜头
3）ToF（Time-of-Flight）芯片
光源会发出光脉冲，光击中物体后会反射回相机芯片，集成镜头可以确保反射回来的光能够击中芯片。简单而言，即依据光线从发出到返回芯片所需的时间，能够肯定间隔，进而计算出每个像素的深度值。借助此过程就能够简单、实时地描画出散点图/深度图，并同时提供一幅强度与置信图。

5.1 TOF的优点和缺陷

+ 一次记载场景，无需扫描
+ 高速度
+ 在多局部图像中提供2D和3D信息
+ 高X/Y分辨率
+ 系统紧凑，无挪动组件
+ 在低光条件下工作理想
+ 确保眼睛平安
+ 无构造或比照度请求
+ 只需提供足够强的光源，能够完成长工作间隔
+ 总体系统本钱低
+ 可完成高度实时性
- 镜面反射及高反光（难处置）外表存在问题
- 对杂散光敏感

5.2 ToF (Time-of-Flight)的典型应用范畴

ToF相机合适用于请求工作间隔长、高速成像、复杂度低的应用。假如想要相机具备上述几点优势，同时预算经费有限，不请求具备毫米级以下的精度，那么ToF技术就是适宜的选择。
物流、码垛和卸垛任务的容积丈量以及物流环境中的自动驾驶车辆都合适采用ToF (Time-of-Flight)相机。ToF(Time-of-Flight)相机在医疗范畴也取得了令人兴奋的新任务，那就是定位和监测患者。在工业范畴中，由于ToF (Time-of-Flight)相机的深度精度相对较低，采用这种相机的系统更合适普通化任务，如较大对象的选择和放置应用。它们还能够用于机器人控制系统或大型对象的丈量和位置检测，例如用于汽车制造。

六、3D技术的比较

	立体视觉	结构光	激光扫描仪	ToF
范围	中到远	中	短	远
分辨率中	中	中	不同	高
深度精度	在短工作范围内为中到极高精度	在短工作范围内为中到极高精度	极高	中
软件复杂性高	高	中	High	低
实时性	低	低到中	Low	高
低光条件下的运行情况	差	好	好	好
户外区域	好	差	中	好
紧凑性	中	中	Weak	非常紧凑
材料成本	中	高	高	中到高
总运行成本	高	中到远	高	中到高

Source from: MartinGramatke of Basler

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