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3D成像机器视觉基础知识(五)3D成像方法

发布时间:2020-10-16 15:07:12 浏览量:63 作者:Leo

摘要

3D成像在的实现基础是普通的相机成像和计算方法。在此基础上进行改造与开发得到若干种3D成像方法。不同方法间有不同也有相

似。本文对常见的3D成像方法进行介绍。


人们最熟悉的3D成像莫过于3D电影和全息投影了。但是这有时是利用人眼的错觉,而非真正的3D成像。是“假三维”。与之相对的

则有包含具体的方向和距离等信息的3D成像技术。


根据成像原理的不同,主要有以下四类:

1. 双目视觉(stereo vision)

2. 激光三角法(laser triangulation)

3. 结构光3D成像(structured light 3D imaging)

4. 飞行时间法ToF(time of light)

在进行进一步的介绍之前先对深度图和点云做简单介绍,其中深度图是指将图像采集器到场景中各点的距离(深度)值作为像素值的图

像。点云是目标表面特性的海量点集合;根据激光原理得到的点云包括三维坐标和激光反射强度、根据摄影测量原理得到的点云包括三

维坐标和颜色信息。点云和深度图在一定条件下是可以相互转化的。


双目视觉法:

顾名思义,采用两个相机模仿人类的两只眼睛来获得深度信息,从而处理出3D图像。人类的两只眼睛获得的图像是存在差别,这个差

别被称为视差。通过视差可以感知深度信息。


 

如上图,双目视觉按照三角法的原理获取三维信息。两个相机和被测物体之间构成一个三角形,已知两个相机的相对位置和被测物体在

左右两个相机中的像素坐标。通过计算可以得出物体的三维尺寸和特征点的三维坐标。

这一方法中两个相机之间的距离限制了深度信息。


激光三角法:

激光三角法有单点激光测距和线激光测距。两者维度不同但原理相同,以单点激光测距为例进行介绍。

 


激光头Laser和摄像头CAMERA之间距离S,摄像头和激光头的连线为基准线,摄像头焦距f,激光头射线方向和基准线夹角为β。通过

三角几何知识,通过f和β可以求出距离和坐标信息。


结构光3D成像法:

结构光,带有一定结构的光源,这种结构是已知的。结构光的编码方法有空间编码和时序编码两种方式。

与激光三角法一样,结构光3D成像也是基于光学的三角测量原理。光学投射器将一定模式的结构光透射于物体表面,在表面上形成由

被测物体表面形状所调制的光条三维图像。该三维图像由处于另一位置的摄像机探测,从而获得光条二维畸变图像。光条的畸变程度取

决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形状轮廓(高度)。直观上,沿着光条显示出的位移(或者偏移)与物体表面高度

成比例,扭结表示了平面的变化,不连续显示了表面的物理间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时,由畸变的二维光条图

像坐标便可重现物体表面三维形状轮廓。由光学投射器、摄像机、计算机系统即构成了结构光三维视觉系统。

 


结构光本身有点结构光,线结构光,多线结构光等模式。除了这类光学三角法之外还有通过相位测量间接得出3D信息的相位法。


飞行时间法:

飞行时间是从Time of Flight直译过来的,简称TOF。其基本原理是通过连续发射光脉冲(一般为不可见光)到被观测物体上,然后用

传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

TOF法根据调制方法的不同,一般可以分为两种:脉冲调制(Pulsed Modulation)和连续波调制(Continuous Wave 

Modulation)。


除了以上介绍的方法之外还有光场成像法等其他方法,这里不作介绍。