三維成像：機(jī)器視覺的一個實(shí)用的概述

三維成像技術(shù)已迅速發(fā)展，在機(jī)器視覺中有它的使用。三維成像在其他領(lǐng)域，如對象和空間建模，計(jì)算機(jī)視覺，研發(fā)工作或自主機(jī)器人的指導(dǎo)，一些在這些領(lǐng)域中使用的方法有很少或沒有在機(jī)器視覺中使用。而其他領(lǐng)域，機(jī)器視覺之間的界限往往是模糊的、象征性的差異影響的三維機(jī)器視覺技術(shù)得到應(yīng)用。其中包括需要完成重復(fù)性的自動檢測、機(jī)器人導(dǎo)航和自動圖像分析任務(wù)迅速接近100%的可靠性在合理明確的方案。

某些機(jī)器視覺方法能夠提取有限的三維信息，而不實(shí)際開發(fā)的三維圖像。這些方法的例子是使用結(jié)構(gòu)化的激光照明或系統(tǒng)，可以確定從已知的對象的表觀尺寸的距離。

相對于傳統(tǒng)的2-D，機(jī)器視覺3-D成像不一定是“升級”。相反，它是影像的不同方法，該方法是在某些區(qū)域更加有限并且更能夠在其他人。的3-D成像方法不產(chǎn)生灰度或彩色信息，盡管傳統(tǒng)的成像可被添加到完成此。三維成像確實(shí)提供了產(chǎn)品的表面的形狀的信息，并且不需要亮度/暗度或顏色的差異來創(chuàng)建圖像。

由于這些長處和短處，三維成像是一般只用于當(dāng)它是必要的做的事情是不可能或難以做與傳統(tǒng)的成像。

在機(jī)器視覺中使用3D的最常見的原因是情況下，它可以創(chuàng)建可靠的分化的功能或缺陷，這樣是不可能的或難以用傳統(tǒng)的成像。分化需要對比度，因此，最簡單的應(yīng)用程序的二維成像涉及識別功能，是不同的顏色或黑暗相比，圍繞他們。當(dāng)這樣的差異不可靠的存在，更復(fù)雜的空間解決方案（照明幾何等），可以使用在二維視覺，但當(dāng)這樣是不夠的或不利影響的可行性，移動到3D往往是最好的選擇。

大多數(shù)方法開始通過產(chǎn)生一個深度圖類型圖像。例如，這可能是一個二維像素陣列（只是作為一個傳統(tǒng)的二維圖像）但不是每個像素包含灰度或RGB顏色值，它包含“Z”（第三）從圖像或想象的觀賞點(diǎn)各點(diǎn)的距離信息。一個或多個深度的地圖圖像可以轉(zhuǎn)化成一個“點(diǎn)云”，其中包含每一個點(diǎn)的三個維度。雖然深度圖是更有限的，它可以表示，它有優(yōu)勢，它可以經(jīng)常使用相同的機(jī)器視覺工具，作為二維視覺處理。例如，要找到“凸點(diǎn)”的表面上的缺陷，高度可能被編碼為一個灰度值，高于一定的高度的區(qū)域可以被分離的閾值，并通過計(jì)算和篩選常見的參數(shù)，如面積和周長的缺陷的閾值，并通過計(jì)算和篩選（尺寸）。同樣，凸起或凹下的文字或二維碼可以從背景中分離出來，通過閾值，然后讀取OCR或通過標(biāo)準(zhǔn)的代碼閱讀工具。

 

三維掃描/三角測量

這是機(jī)器視覺中最常用的方法。這的一個原因是，它已在機(jī)器視覺中的大量使用的最長的。

這項(xiàng)技術(shù)使用一個激光（通常是紅外）掃描一次一行一行的工作，一個成像器，在每一個點(diǎn)產(chǎn)生的。成像器和激光器位于已知位置和（不同）角度相對于產(chǎn)品。由于成像器和激光的位置和角度是已知的，這使得處理器，以確定每個點(diǎn)生成的位置（在三維空間中）。這是做一整個行。然后，當(dāng)成像系統(tǒng)或產(chǎn)品被移動在一個控制的“掃描”的方式，它重復(fù)了下一行和數(shù)百或數(shù)千額外的過程，直到工作片所需的部分已被覆蓋。所有的數(shù)據(jù)放在一起到一個深度圖的三維圖像的掃描區(qū)域的產(chǎn)品。

這種方法的一個限制（實(shí)際上是在這篇文章中所涵蓋的所有成像方法）是，只有“看到”由兩個元素的區(qū)域（在這種情況下，激光和相機(jī)）成像。對于這種特殊方法的一些更重要的限制是：

要創(chuàng)建一個圖像，無論是工件或成像系統(tǒng)必須穩(wěn)定和準(zhǔn)確地移動在掃描型運(yùn)動。這通常需要添加一些類型的運(yùn)動控制系統(tǒng)。還的圖像采集時間包括整個掃描過程中，這是太慢了許多應(yīng)用程序的時間。最后，這樣的一個添加（特別是如果它涉及到處理和移動的工作片）通常是不允許的“添加”的解決方案，不能修改現(xiàn)有的制造和產(chǎn)品流程。 

該系統(tǒng)依賴于散射（不反射）從激光沖擊點(diǎn)的光，所以只有產(chǎn)品/區(qū)域，可以成像散射光。光亮的對象，那么這個方法可以形象。例如，一個白色的產(chǎn)品將是最容易的圖像和鏡子將是最困難的。

由于圖像是每個掃描周期只有一次，一個“活”的圖像（例如，用于安裝和瞄準(zhǔn)），這需要約30個圖像每秒是不可用的。

 

立體成像

像一組人眼，立體成像是基于兩個相機(jī)拍攝的一個產(chǎn)品或“場景”的兩個不同的意見，這些相機(jī)在同一平面上略有不同，采取的圖像，然后存儲在計(jì)算機(jī)中。由此產(chǎn)生的圖片是不完全相同的，兩個相機(jī)之間的空間意味著所產(chǎn)生的圖像顯示相同的場景，但從稍微不同的角度。接下來，兩圖像之間的共性和差異的確定。的差異被稱為“差異”的位置的功能。它是將圖像或“3-d-ness”它的深度的差異。

對于人類，立體視覺和其產(chǎn)生的深度知覺是至關(guān)重要的行動，如駕駛，投擲/捕捉一個球，甚至穿針。這并不是說，這些活動不能沒有這種類型的視覺，但它使生活更容易。與立體機(jī)器視覺不同的是，人的“視覺”的一個對象來自頭腦，它結(jié)合了大量的其他信息（如知識的世界和共同的對象）與從眼睛接收的信息，所以類比有其局限性。

這種方法的主要限制是機(jī)器視覺的興趣必須是可見的（可靠地分化），使用傳統(tǒng)的成像，在機(jī)器視覺中使用的是最常見的原因是因?yàn)檫@種分化是不可用的。另一種顯著的限制是，只用于區(qū)分功能的三維信息。這些限制是其中的主要原因，它在機(jī)器視覺中使用的是至少在這篇文章中所描述的三種方法。

 

“一槍”基于網(wǎng)格的三維成像

在機(jī)器視覺中快速增長的一種新的三維技術(shù)是使用一個不可見的（近紅外或紅外）專門網(wǎng)格的投影的“一個鏡頭”的方法。它是以各種不同的名字銷售的。此方法可以被理解為從一個類似的配置類似的掃描三角測量方法（發(fā)射器和一個攝像頭在已知的位置和角度）。不同的是，它在一個時間在整個產(chǎn)品區(qū)域的一個專門的（例如偽隨機(jī)）網(wǎng)格。成像和處理系統(tǒng)“知道”的起始點(diǎn)，在每一個網(wǎng)格的視圖字段中的角度和位置。從這一點(diǎn)，它計(jì)算其三維位置，并把它放在一個深度地圖圖像。

這種新方法的最大優(yōu)勢（成熟的三角測量方法相比）是，它需要一個鏡頭在一個鏡頭的整個場景的照片。成像器或工件（和這樣的時間和機(jī)器的時間和機(jī)器）的控制掃描運(yùn)動是不需要的。這大大擴(kuò)展了應(yīng)用程序的范圍。現(xiàn)場圖像也可用，使它更容易設(shè)置。

這種方法的兩個限制是相同的激光三角測量。它可以只圖像區(qū)域，這兩個元素都可以“看到”，并要求表面散射光。

這種方法相比，傳統(tǒng)的三角測量的兩個額外的限制是（通常）較低的精度和更長的最小工作距離。新版本的這項(xiàng)技術(shù)正在取得重大進(jìn)展，縮小這兩個領(lǐng)域的差距。

這兩種三維成像技術(shù)和他們的采用機(jī)器視覺應(yīng)用程序繼續(xù)增長。相比，二維成像，他們提供了新的能力和局限性，不同的被認(rèn)為是所考慮的。基于這兩個知識的明智決策是必要的。新的功能允許正在進(jìn)行的擴(kuò)展的應(yīng)用程序，可以解決使用機(jī)器視覺的范圍內(nèi)。