3D成像技術(shù)在機(jī)器視覺中發(fā)揮的作用

想要機(jī)器人能夠快速、精準(zhǔn)且輕松地抓取和放置貨物？事實(shí)上，至今仍然需要漫長而艱難的設(shè)置和培訓(xùn)階段，才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)看似簡單的任務(wù)。具有空間感、能夠像人一樣交互的機(jī)器人更像是科幻故事中的情節(jié)，現(xiàn)實(shí)中尚未能實(shí)現(xiàn)。然而，隨著3D技術(shù)普遍在機(jī)器視覺中發(fā)揮的作用日益增大，目前3D成像過程出現(xiàn)了許多變化。

主要的3D方法有哪些？

3D技術(shù)可以在機(jī)器人、工廠和物流自動(dòng)化以及醫(yī)療領(lǐng)域大展身手，因?yàn)樗梢詾榻鉀Q復(fù)雜的圖像處理任務(wù)開辟新天地。3D圖像處理技術(shù)特別適用于了解物體的體積、形狀、3D位置和方向，例如物流部門需要將商品快速且安全地從A點(diǎn)運(yùn)送到B點(diǎn)。但是生成3D圖像需要哪種技術(shù)呢？

當(dāng)前,生成3D圖像數(shù)據(jù)有四種不同方法：

ToF（Time-of-Flight）

激光三角測(cè)量法

立體視覺

結(jié)構(gòu)光

四種方法之間有何不同？

立體視覺和結(jié)構(gòu)光

立體視覺的工作原理與人眼類似。需要使用兩個(gè)2D相機(jī)從兩個(gè)不同位置為被測(cè)量物體拍攝圖像，并使用三角測(cè)量原理計(jì)算3D深度信息。但是當(dāng)需要觀察均勻的表面，以及當(dāng)照明條件不良時(shí)可能難以進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)過于混亂，無法得出確定的結(jié)果。這個(gè)問題就可以通過結(jié)構(gòu)光來解決，從而為圖像生成清晰的預(yù)定義結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用領(lǐng)域

立體視覺的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是：它在測(cè)量工作范圍較小的物體時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高精度。如果要實(shí)現(xiàn)高精度，通常需要將參考標(biāo)記、隨機(jī)圖案或由結(jié)構(gòu)化光源產(chǎn)生的光圖案投影到被測(cè)物體上。立體視覺通常適用于坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)和工作空間的3D測(cè)量。然而，這種技術(shù)一般不適合在生產(chǎn)環(huán)境中使用，因?yàn)樗?a target="_blank">處理器負(fù)載較高，在工業(yè)應(yīng)用中會(huì)增加整體系統(tǒng)的成本。

激光三角測(cè)量法

激光三角測(cè)量法使用的是2D相機(jī)和激光光源。激光會(huì)將光線投射到目標(biāo)區(qū)域，然后再使用2D相機(jī)進(jìn)行拍攝。光線在接觸被測(cè)物體的輪廓時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，因此可以根據(jù)多張照片中的光線位置坐標(biāo)，計(jì)算出物體和激光光源之間的距離。

應(yīng)用領(lǐng)域

此方法采用了結(jié)構(gòu)光的方法，因此在應(yīng)對(duì)復(fù)雜的表面時(shí)，或當(dāng)環(huán)境光較弱時(shí)，相應(yīng)的問題也能迎刃而解。即使物體的對(duì)比度較低，激光三角測(cè)量法也可提供高精度的數(shù)據(jù)。但是，激光三角測(cè)量法存在一個(gè)問題：它速度相對(duì)較慢，難以適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)環(huán)境中不斷加快的速度。在掃描過程中，此技術(shù)要在被測(cè)量物體保持靜止時(shí)才能記錄激光線的改變情況。

ToF(Time-of-Flight)

在獲取深度數(shù)據(jù)及測(cè)量距離方面，ToF (Time-of-Flight)方法是一項(xiàng)非常高效的技術(shù)。ToF相機(jī)為每個(gè)像素提供兩種信息：亮度值（灰度值）以及芯片與被測(cè)物體之間的距離（即深度值）。

ToF (Time-of-Flight)技術(shù)可進(jìn)一步分為兩種不同方法：連續(xù)波和脈沖ToF。

脈沖ToF是根據(jù)光脈沖的傳播時(shí)間來測(cè)量距離，因此它需要配合非?？焖?、精準(zhǔn)的電子元件。目前，該技術(shù)能夠在合理的成本范圍內(nèi)生成精確的光脈沖以及進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。相比連續(xù)波的工作過程，這種技術(shù)所需的芯片要以更高的分辨率進(jìn)行工作，由于它的像素較小，因此能夠更高效地利用芯片表面。

集成光源發(fā)出的光脈沖會(huì)在照射物體后反射回相機(jī)。然后，即可根據(jù)光線再次到達(dá)芯片前的傳播時(shí)間計(jì)算出距離，從而得出每個(gè)像素的深度值。這項(xiàng)技術(shù)可以輕松實(shí)時(shí)生成點(diǎn)云，同時(shí)還可以提供強(qiáng)度和置信圖。

應(yīng)用領(lǐng)域

ToF方法非常適用于物流和生產(chǎn)環(huán)境中，可以執(zhí)行體積測(cè)量、堆垛任務(wù)和自動(dòng)駕駛車輛。ToF相機(jī)還可以在醫(yī)療領(lǐng)域幫助進(jìn)行定位和監(jiān)測(cè)患者，以及在工廠自動(dòng)化中執(zhí)行機(jī)器人控制和箱子抓取任務(wù)。

哪種技術(shù)適合我的應(yīng)用？

與2D相機(jī)一樣，可以使用單一技術(shù)解決所有問題的3D相機(jī)并不存在。因此我們必須綜合權(quán)衡各種要求，確定最優(yōu)化的選擇。

在為應(yīng)用選擇技術(shù)時(shí)需要考慮以下關(guān)鍵問題：是否需要檢測(cè)物體的位置、形狀、存在情況或者物體方向？需要達(dá)到什么精度水平？物體的表面狀態(tài)如何？應(yīng)用的工作距離和運(yùn)行速度分別是多少？另外計(jì)劃方案的成本和復(fù)雜程度還必須與3D技術(shù)的能力相匹配。

審核編輯：郭婷