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3D视觉测量原理技术展示(二)

  • 2018-03-22

    被动测距法

    被动测距技术不需要人为地设置辐射源,只利用场景在自然光照下的二维图像来重建景物的三维信息,具有适应性强、实现手段灵活、造价低的优点。但是这种方法是用低维信号来计算高维信号的,所以其使用的算法复杂。被动测距按照使用的视觉传感器数量可分为单目视觉、双目立体视觉和多目视觉三大类。

    (1)单目视觉

    单目视觉是指仅利用一台照相机拍摄一张相片来进行测量。因仅需要一台相机,所以该方法的优点是结构简单、相机标定容易,同时还避免了立体视觉的小视场问题和匹配困难问题。

单目视觉

    单目视觉测量示意图

    单目视觉方法又可分聚焦法和离焦法两类。聚焦法是指首先使相机相对于被测点处于聚焦位置,然后根据透镜成像公式求得被测点相对于相机的距离。相机偏离聚焦位置会带来测量误差,因此寻求精确的聚焦位置是关键所在。而离焦法不要求相机相对于被测点处于聚焦位置,而是根据标定出的离焦模型计算被测点相对于相机的距离,这样就避免了由于寻求精确的聚焦位置而降低测量效率的问题,但离焦模型的准确标定是该方法的主要难点。

    (2)双目立体视觉

    双目立体视觉的基本原理是从两个视点观察同一景物,以获取在不同视角下的感知图像,然后通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差(视差)来获取景物的三维信息。这一过程与人类视觉感知过程是类似的。

双目立体视觉测量示意图

    双目立体视觉测量示意图

    在双目立体视觉系统的硬件结构中,通常采用两个摄像机作为视觉信号的采集设备,通过双输入通道图像采集卡与计算机连接,把摄像机采集到的模拟信号经过采样、滤波、强化、模数转换,最终向计算机提供图像数据。一个完整的双目立体视觉系统通常可分为数字图像采集、相机标定、图像预处理与特征提取、图像校正、立体匹配、三维重建六大部分。

    (3)多目立体视觉

    多目立体视觉系统是对双目视觉系统的一种拓展。所谓多目立体视觉系统,就是采用多个摄像机设置于多个视点,或者由一个摄像机从多个视点观测三维景物的视觉系统。

多目视觉测量示意图

    多目视觉测量示意图

    对多目系统所采集到的景物图像进行感知、识别和理解的技术被称为多目立体视觉系统技术。在双目立体视觉中,对于给定的物体距离,视差与基线长度成正比,基线越长,对距离的计算越精确。但是当基线过长时,需要在相对较大的视觉范围内进行搜索,从而增加计算量。利用多基线立体匹配是消除误匹配、提高视差测量准确性的有效方法之。基线数目的增加可以通过增加相机来实现。


    光电3D影像技术

    根据获取图像信息方法的不同,光电3D影像技术分为有源和无源两种技术,无源技术主要是接受物体的辐射或者环境的发射,有源技术是通过投射一束调制的或未调制的光到物体上通过检测物体反射的光来形成3D图像。

    以前大多数技术研究集中在无源3D技术上,利用三角测量原理,通过两台相距一定距离的照相机,左边照相机产生的图像表示深度信息,右边照相机产生差异的二维图像。关键是产生深度信息的照相机需要分离出深度信息。无源3D影像技术需要拍摄的物体具有突出的轮廓特点,比如边缘、角、线等。其优点是不需要特殊的硬件条件,并成功使用在好几个方面。这种技术的缺点是需要两台或者更多的高质量的照相机、图像处理软件。图像质量、拍照速度、数据传输等都是这种机制能否被广泛应用的限制因素。

    有源3D光电图像方法是投射一束有规律的空间分布的线状光到物体上从而产生一个网状格的深度。广泛使用的有源光方法是飞行时间(timeofflight)方法,最近几年,市场上出现的3D照相机都是基于飞行时间方法,这些3D照相机主要应用于工业控制。SwissRanger3000照相机是最近应用这种技术的产品,通过飞行时间方法检测相位来实现3D影像。一束几十兆赫兹被调制的近红外光照射到物体上,物体反射的光进入3D照相机,由于立体物体的远近距离不同,反射光的相位存在一个延迟,通过检测原始光束以及反射光束的相位延迟从而检测出物体的景深,从而实现3D图像。这种3D图像传感器的制作由ZMD公司完成,ZMD公司根据3D图像传感器需要高速的特点从噪声和速度进行工艺优化,响应速度可以到100MHz以上。

    3D视觉图像传感器技术

    不管是多个照相机形成的3D无源影像技术,还是以飞行时间方为原理的有源3D影像技术,整个系统的价格都很高、功耗大、需要复杂的校正软件。在有源3D影像技术中可以获得高精度的3D图像,但是要求传感器的工作响应速度很高,在现有技术情况下,不得不降低图像的分辨率。目前研究3D影像技术主要集中在基于CCD或者CMOS图像传感器的3D实现方法、图像处理和显示的研究,真正开展视觉传感器研究的很少。

    一种新的3D视觉图像传感器技术,可以单芯片实现3D拍照的功能,同时可以输出2D的影像,并输出高分辨率的3D图像。这种图像传感器技术并不需要额外的有源光照,通过电子快门控制曝光时间,获得高速的视频图像,通过自动对焦处理,形成景深影像。这种3D传感器技术很适合于低价格、小型化的视觉应用系统,比如手机等多媒体应用。

    该系统由两部分构成,3DCMOS图像传感器以及可变焦的液体镜头两部分构成,其中3DCMOS图像传感器集成光电转变电路、低噪声读出电路、噪声抑制电路、可编程放大电路、模数转换器电路、曝光控制电路、坏像素纠正电路、彩色空间转换电路、自动白平衡电路以及多媒体图像信号处理电路等功能。


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