三維機器視覺基礎

機器視覺能力正在迅速擴大超過二維圖像。

機器視覺技術在生產現場應用中得到廣泛的接受和應用。雖然大多數這些應用程序是在二維空間中，提供的系統和組件提供的三維信息的可用性顯著增長。雖然在機器視覺應用中的三維成像已經存在多年，隨著技術的不斷擴大和成本的不斷縮小，三維成像技術的應用范圍越來越廣。由于這一個子集的機器視覺技術可能是不太熟悉的許多，更廣泛的理解的基本面可能會揭示更多的方式，可用于自動檢查和指導的三維機器視覺。在本教程中，我們將提供一個概述的一些關鍵概念，技術和使用的三維機器視覺。

 

概述

我們的眼睛（作為一個“立體成像對”）在三個維度感知的視覺數據，我們使用這些數據直觀地作出決定。然而，一臺機器視覺相機，處理一個平面，二維圖像顯著更有限的數據可用于決策。本質上是一個機器視覺系統的一個二維圖像必須完全依賴于亮度，對比度和唯一的X，Y和旋轉位置相對于相機。它是非常有價值的，當機器視覺應用可以利用額外的數據，如可在一個三維視圖，如一個物體的高度，甚至在圖像中的每一個點的高度。困難的檢查，可能需要多個相機或精密零件介紹可能會簡化與三維數據的可用性。其他應用程序，如自動導航的運動和位置或測量的物體在三維空間從根本上需要的三維信息。

簡單地說，機器視覺中的三維成像的基本任務是在一個場景中提供高度信息，相對于一個固定的或任意的平面。的高度信息，然后進一步處理，以提供空間測量，形狀位置和分析，特征識別，和許多其他復雜的檢查任務。

在數字成像世界中存在的許多技術和方法，用于獲取三維圖像和信息。在學術界和工業界的研究人員都在積極開發新技術，并改進現有的或商業化的，已知的方法。從圖像中獲取三維信息的一些定義良好的方法包括：

 

立體/多臺相機

結構光線或

“光之表”

具有不同照明方向、顏色或形狀的多幅圖像

單或多相機高度從焦點，形狀，陰影

光圖案投影（如微軟的Kinect）

飛行時間

用相移干涉術的條紋投影

 

這些方法中的一些被用于在計算機成像中的三維場景的采集，主要用于一個對象的定義和重建。在某些情況下，技術是用于空間運動捕捉（想想微軟的Kinect）。上面提到的技術雖然，某些已經獲得了更廣泛的使用在工業自動化，由于部分原因：1）的性質，經常發現在機器視覺項目，2）的可靠性和魯棒性的技術，更關鍵的是，3）在工廠車間環境的易用性。更常見的（現在）機器視覺的三維成像技術是立體聲（或多個）相機成像，使用的結構光線或模式與單個或多個相機，和飛行傳感器的時間。

 

機器視覺的三維數據

在考慮哪些技術（S）和組件使用，重要的是要了解類型的信息，可從一個三維圖像和什么將是最有用的目標應用。在一般情況下，有兩種類型的三維圖像數據，可以在典型的機器視覺應用：單點位置確定和點云圖像表示。（請注意，這些都不是特別鏈接到上面提到的任何一種成像技術，不同的技術可能會產生任何類型的數據取決于實現。）

 

點云

當我們想到一個三維場景時，它不太難想象一個場景作為一個巨大的個體點集合：一個點云。每一點都有一個X，Y和Z在空間中的位置。機器視覺點云也可以被稱為一個范圍內的地圖，因為每個點的高度組件通常是相對于一個特定的平面，這取決于所使用的成像技術和組件。隨著一個點云數據表示，進一步處理是在場景中提取一個單一的點（例如，一個平面上的最高點）；隔離功能或對象的基礎上的空間高度相對于一個平面測量或質量評價；或搜索和提供的對象的位置在一個復雜的場景，根據存儲的三維模型的對象的形狀，往往是機器人指導的目的。

 

單點

從一個三維場景的數據可以只是個別點相關的特定的功能或對象的位置。往往較少的計算費用，需要提取單點位置，從而更快的處理。從一個單一的點的位置和高度信息可以被用于在一個應用程序中，雖然多個單獨的點往往被處理，以進一步定義一個對象的空間方向和大小的位置和/或質量檢查。隨著單個或少量的個體的三維點，匹配的模型或處理的一個復雜的或混亂的場景不能實現與一個完整的點云。

如何在機器視覺中使用的數據是依賴于應用程序。一個重要的考慮因素是應用程序所需的信息的范圍。注意在所有的情況下，一個單一的、未經加工的三維圖像點提供一個X，Y，Z的相對位置平面。當與圖像中的其他相關點相結合時，應用程序的數據是一個完全的三維平面表示的點（或點）：X，Y和Z位置，和一個對象的偏航，俯仰和旋轉（W，P，R）相關的角度。（常見的是X，Y和Z軸的位置隨著繞Z軸旋轉的對象，有時被稱為2?三維機器視覺）。

一個清晰的了解應用程序的要求，圖像內容和所需的數據輸出是很重要的，以確定適當的3D成像技術和組件的機器視覺項目。

三維成像技術和組件

如前所述，各種各樣的成像技術的存在，可以提供三維信息的機器視覺應用。我們將簡要回顧這些技術的三，所使用的組件，和典型的應用。

 

立體

立體成像涉及使用兩個相機來分析一個單一的視圖從不同的角度（多像人的眼睛）。通過攝像機的適當的校準，兩個不同的傳感器的幾何關系被定義相對于一個固定的世界坐標系統。這種成像方法的一個相對簡單的任務是定位相同的（或相應的）在每個字段中的目標特征，并應用變換，以確定在三維空間中的位置，這一點。真正的困難時，出現的一個功能是不是很好或唯一定義的兩個意見。這被稱為一個對應問題。立體照相機的三維成像技術來提高使用極線幾何圖像中的點對點通信的結果更高級別的算法。以這種方式，立體成像可以產生一個三維點云的場景，雖然數據可能不是有效的圖像中的每一個像素。

結構光線和投影模式

在一般情況下，作為一個簡化的解釋，使用類型的結構光的系統，利用已知的光照圖案的幾何失真在一個復雜的三維表面。在機器視覺中最常見的是使用一個投射的光（也稱為“光之光”）到一個表面上。一個標準的攝像機捕捉到許多光線為對象的圖像（或相機/照明）在運動。有了一個正確的校準系統，單獨的線圖像相結合，提供了一個完整的點云表示的場景的三維輪廓。在某些情況下，投影光模式與立體相機一起使用，以幫助克服對應的問題。已知的光模式可以比隨機或未定義的功能更容易辨認。

 

 

飛行時間

飛行成像時間的基本概念是將光投射到一個物體上，測量光返回傳感器的時間量，從而計算出距離。這些傳感器是在廣泛使用，但目前缺乏的空間分辨率的位置和距離是適當的，為要求的機器視覺任務。改進的技術正在實施的一些供應商。

 

執行中的挑戰

使用三維成像的機器視覺可以需要顯著更多的努力，在實施和整合比二維成像技術，無論技術。特別是，三維系統和組件必須仔細設置和校準，以獲得準確的數據。有一些獨立的系統在市場上，預先校準到一個特定的領域（在三維意義上，一個立方體，而不是一個扁平的正方形），事實上，這些組件更容易使用，但有一些限制的交流。由于這仍然是一個成像任務，照明仍然是一個重要的考慮因素。關于使用正確和適當的光的應用程序的所有通常的預防措施仍然適用，并可能更因此在該部分和特征的變化可能會更加明顯，當試圖圖像的一個對象，預計將改變的位置和方向。

然而，與所有機器視覺，更好的可用的數據，更好的潛在的強大和可靠的應用。隨著三維檢查技術變得更容易獲得，和熟悉的機器視覺工程師，技術的價值將是明顯的機器視覺任務的一個增長的子集。