3D成像机器视觉基础知识（五）3D成像方法

正文

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。