3D機(jī)器視覺的技術(shù)路徑和場景適用
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3D機(jī)器視覺的技術(shù)路徑和場景適用
Edited by 4thInstitute
一、3D相機(jī)的典型應(yīng)用領(lǐng)域:
1）在工業(yè)環(huán)境中自動駕駛車輛（如叉車）檢測障礙和進(jìn)行“人工”導(dǎo)航?
2）機(jī)器人控制的傳送帶抓取作業(yè)或零件拾取作業(yè)
3）進(jìn)行有無檢測，即使容器/箱子中的對象相比背景根本沒有對比度，也可以對其進(jìn)行檢查和計數(shù)
4）對電路板上的組件進(jìn)行位置和有無檢查
5）對各種對象進(jìn)行體積測量等
二、流行的3D技術(shù)
3D圖像處理常使用的技術(shù)包括：
1）立體視覺和結(jié)構(gòu)光
2）激光三角測量法
3）ToF(Time-of-Flight)
三、立體視覺和結(jié)構(gòu)光
立體視覺的工作原理依照人類的一雙眼睛。使用兩個相機(jī)記錄一個對象的兩個2D圖像。并且，從兩個不同的位置記錄同樣的場景，借助三角測量原理，使用深度信息合成一幅三維圖像。
立體視覺使用從兩個普通的2D面陣相機(jī)提供的圖像數(shù)據(jù)，為場景提供深度值。同時，根據(jù)相機(jī)位置以及應(yīng)用的幾何信息對圖像進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整后，使用匹配算法搜索右側(cè)和左側(cè)的對應(yīng)點，創(chuàng)建場景的深度圖像。
此方法運行的工作距離取決于基準(zhǔn)（相機(jī)之間的距離），因此因情況而異。
提高立體系統(tǒng)性能的一種方式是向立體解決方案添加結(jié)構(gòu)光。通過使用光源將明亮的幾何圖案投射在場景上，可以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，這顯著降低因均質(zhì)表面和低光造成的立體影像缺陷。通過校準(zhǔn)投射燈和相機(jī)，甚至可以不使用第二臺相機(jī)。
3.1立體視覺的優(yōu)點和缺點
+ 可以在較短距離內(nèi)獲得高精度
+ 可以使用2D面陣相機(jī)
+ 陽光照射不是問題
+ 高反光（稱為難處理表面）的情況下也可以使用
- 不能用于均質(zhì)表面
- 在低光照條件下不能運行
- 高計算能力導(dǎo)致實時性難以實現(xiàn)
3.2結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點和缺點
+ 可以在較短距離內(nèi)獲得高精度
+ 可以使用2D面陣相機(jī)
+ 陽光照射不是問題
+ 高反光（稱為難處理表面）的情況下也可以使用
- 高計算負(fù)載導(dǎo)致實時性難以實現(xiàn)
- 設(shè)置復(fù)雜、安裝成本高，導(dǎo)致總體系統(tǒng)成本高昂
3.3立體視覺和結(jié)構(gòu)光的典型應(yīng)用領(lǐng)域
立體視覺可以實現(xiàn)較高精度。難處理表面不會對立體視覺造成較大影響，但始終要求對象存在少量參考標(biāo)記或隨機(jī)圖案。這意味著這種技術(shù)一般不太適合在生產(chǎn)環(huán)境中使用。立體視覺通常的應(yīng)用范圍包括：坐標(biāo)測量技術(shù)，工業(yè)、服務(wù)或機(jī)器人系統(tǒng)方面應(yīng)用的對象和工作區(qū)的3D測量，以及危險工作區(qū)或人類無法進(jìn)入的工作區(qū)的3D顯示。立體系統(tǒng)也非常適合在室外區(qū)域的測量系統(tǒng)中使用，如在鋸木廠中測量和檢查樹干。
然而，如果可以接受高處理負(fù)載、復(fù)雜的安裝工作和更高成本，在添加結(jié)構(gòu)光后，立體視覺也適合進(jìn)行目標(biāo)測量的工業(yè)應(yīng)用。
四、激光三角測量法
在運用激光三角測量法時，結(jié)合使用了2D相機(jī)和激光光源。在此過程中，激光將線或點投射在相機(jī)前的場景上。
激光線或點出現(xiàn)在相機(jī)前的對象上，由2D相機(jī)記錄。如果使相機(jī)跨過目標(biāo)或在目標(biāo)旁移動（例如通過傳送帶），被測量對象到芯片之間的距離會改變，那么激光線或點的觀察角度隨它們在相機(jī)圖像中的位置一起變化。這樣，通過數(shù)學(xué)運算，對象和光源之間的距離就可以通過圖像中的位置坐標(biāo)計算得出。
4.1激光三角測量法的優(yōu)點和缺點
+ 精度極高
+ 照明條件較差時仍可工作
+ 可用于鏡面反射或高反光（難處理）表面
- 需要對目標(biāo)進(jìn)行激光掃描，導(dǎo)致速度較慢
- 工作距離小
- 高精度要求采用非常昂貴的單個組件
- 設(shè)置復(fù)雜、安裝成本高，導(dǎo)致總體系統(tǒng)成本高昂
- 如果沒有安全的預(yù)防措施無法保證眼睛安全
4.2激光掃描儀的應(yīng)用領(lǐng)域
激光三角測量法對于準(zhǔn)確性要求極高的應(yīng)用，常常是一種好的選擇。而對于高反光且光照條件不理想的難處理表面，也建議選擇激光三角測量法。舉例來說，在亞毫米級范圍內(nèi)測量高反光的金屬片就是激光三角測量法的典型應(yīng)用。另一個例子是對玻璃瓶進(jìn)行分揀，這種情況下對比度極小。
五、Time-of-Flight 方法
TheTime-of-Flight 方法是獲取深度數(shù)據(jù)及測量距離的非常有效的技術(shù)。ToF (Time-of-Flight)相機(jī)為每個像素提供兩種信息：亮度值（描述為灰度值）以及相機(jī)和目標(biāo)的距離（即深度值）。
ToF(Time-of-Flight)方法有兩種不同的用法：連續(xù)波和脈沖ToF (Time-of-Flight)方法。基于連續(xù)波的Time-of-Flight測量法，是一種根據(jù)可調(diào)節(jié)亮度光源的發(fā)射光和反射光之間的相位差來進(jìn)行測量的方法。
使用脈沖ToF(Time-of-Flight)原理的相機(jī)，是根據(jù)發(fā)射光脈沖和反射光脈沖之間的時間延遲來確定距離。
ToF(Time-of-Flight)相機(jī)是一個緊湊的系統(tǒng)，沒有可移動部件，它由以下組件組成：
1）主動集成光源
2）集成鏡頭
3）ToF（Time-of-Flight）芯片
光源會發(fā)出光脈沖，光擊中物體后會反射回相機(jī)芯片，集成鏡頭能夠確保反射回來的光可以擊中芯片。簡單而言，即根據(jù)光線從發(fā)出到返回芯片所需的時間，可以確定距離，進(jìn)而計算出每個像素的深度值。借助此過程就可以簡單、實時地描繪出散點圖/深度圖，并同時提供一幅強(qiáng)度與置信圖。
5.1 TOF的優(yōu)點和缺點
+ 一次記錄場景，無需掃描
+ 高速度
+ 在多部分圖像中提供2D和3D信息
+ 高X/Y分辨率
+ 系統(tǒng)緊湊，無移動組件
+ 在低光條件下工作理想
+ 確保眼睛安全
+ 無結(jié)構(gòu)或?qū)Ρ榷纫?/span>
+ 只要提供足夠強(qiáng)的光源，可以實現(xiàn)長工作距離
+ 總體系統(tǒng)成本低
+ 可實現(xiàn)高度實時性
- 鏡面反射及高反光（難處理）表面存在問題
- 對雜散光敏感
5.2 ToF (Time-of-Flight)的典型應(yīng)用領(lǐng)域
ToF相機(jī)適合用于要求工作距離長、高速成像、復(fù)雜度低的應(yīng)用。如果想要相機(jī)具備上述幾點優(yōu)勢，同時預(yù)算經(jīng)費有限，不要求具備毫米級以下的精度，那么ToF技術(shù)就是合適的選擇。
物流、碼垛和卸垛任務(wù)的容積測量以及物流環(huán)境中的自動駕駛車輛都適合采用ToF (Time-of-Flight)相機(jī)。ToF(Time-of-Flight)相機(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域也獲得了令人興奮的新任務(wù)，那就是定位和監(jiān)測患者。在工業(yè)領(lǐng)域中，由于ToF (Time-of-Flight)相機(jī)的深度精度相對較低，采用這種相機(jī)的系統(tǒng)更適合一般化任務(wù)，如較大對象的選擇和放置應(yīng)用。它們還可以用于機(jī)器人控制系統(tǒng)或大型對象的測量和位置檢測，例如用于汽車制造。
六、3D技術(shù)的比較
立體視覺 | 結(jié)構(gòu)光 | 激光掃描儀 | ToF | |
范圍 | 中到遠(yuǎn) | 中 | 短 | 遠(yuǎn) |
分辨率中 | 中 | 中 | 不同 | 高 |
深度精度 | 在短工作范圍內(nèi)為中到極高精度 | 在短工作范圍內(nèi)為中到極高精度 | 極高 | 中 |
軟件復(fù)雜性高 | 高 | 中 | High | 低 |
實時性 | 低 | 低到中 | Low | 高 |
低光條件下的運行情況 | 差 | 好 | 好 | 好 |
戶外區(qū)域 | 好 | 差 | 中 | 好 |
緊湊性 | 中 | 中 | Weak | 非常緊湊 |
材料成本 | 中 | 高 | 高 | 中到高 |
總運行成本 | 高 | 中到遠(yuǎn) | 高 | 中到高 |
Source from: MartinGramatke of Basler
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