到底什么是3D視覺技術(shù)？

近年來，3D視覺技術(shù)在眾多領(lǐng)域飛速發(fā)展，除了智能機器人、自動駕駛、無人機等無人系統(tǒng)，在我們身邊的AR、VR、智能家居，以及智能手機中通過掃描人臉三維結(jié)構(gòu)實現(xiàn)手機解鎖、手機支付等應(yīng)用。除此之外在工業(yè)領(lǐng)域中，3D視覺技術(shù)可以進(jìn)行納米級的工業(yè)掃描、工業(yè)檢測等，實現(xiàn)大場景三維重建，助力工業(yè)智能化發(fā)展。從城市到工業(yè)，3D視覺技術(shù)已經(jīng)成為智能終端必不可少的AI“慧眼”。到底什么是3D視覺技術(shù)？我們一起往下看。

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3D視覺技術(shù)與3D傳感器

3D視覺是一個多學(xué)科相融合的技術(shù)，可以總結(jié)為：計算圖形學(xué)+計算機視覺+人工智能=3D視覺。3D視覺技術(shù)是通過3D攝像頭采集視野空間內(nèi)每個點位的三維座標(biāo)信息，通過算法復(fù)原獲取三維立體成像，不會輕易受到外界環(huán)境、復(fù)雜光線的影響，與2D成像技術(shù)相比更穩(wěn)定，體驗感更強，安全性更高。

3D視覺技術(shù)結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，在眾多領(lǐng)域取得了突出效果，其主要研究內(nèi)容包括：

3D感知：3D感知能夠捕捉到現(xiàn)實世界中的人、車、物、空間的三維信息，應(yīng)用于機器人/機械臂、自動駕駛、無人機等場景；

位姿估計（Pose estimation）: 位姿估計在計算機視覺領(lǐng)域扮演著十分重要的角色。在使用視覺傳感器估計機器人位姿進(jìn)行控制、機器人導(dǎo)航、增強現(xiàn)實等方面都有極大的應(yīng)用。位姿估計這一過程的基礎(chǔ)是找到現(xiàn)實世界和圖像投影之間的對應(yīng)點，然后根據(jù)這些點對的類型，如2D-2D, 2D-3D, 3D-3D，采取相應(yīng)的位姿估計方法。位姿估計應(yīng)用于機器人定位導(dǎo)航、VPS（(Virtual Private Server ）等場景；

*位姿估計 圖源：網(wǎng)絡(luò)

3D重建: 大規(guī)模場景的3D重建，被應(yīng)用于智慧城市、智慧文旅、混合現(xiàn)實等場景，此外在人臉人體等部位的3D重建和關(guān)鍵點檢測識別技術(shù)，也被廣泛應(yīng)用于游戲、動漫影視中內(nèi)容的制作等。

3D傳感器作為3D視覺的眼睛，通過多個攝像頭與深度傳感器的組合能夠獲得物體三維位置及尺寸等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維信息采集。目前3D傳感器主要有雙目相機、結(jié)構(gòu)光相機及TOF（Time of flight）相機。

雙目相機的原理與人類視覺感知過程相類似，是從兩個不同位置的相機去觀察同一事物，獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過三角測量原理計算圖像的視差，以此得到景物的三維信息。它的缺點在于對環(huán)境光照非常敏感，當(dāng)光線變化時會導(dǎo)致精準(zhǔn)度變低。

*雙目立體視覺測量示意圖 圖源：網(wǎng)絡(luò)

結(jié)構(gòu)光相機是將激光散斑圖像投射到物體表面，由攝像頭接收采集物體表面反射的信息，根據(jù)物體造成的光信號變化計算出物體位置和深度信息，識別精度達(dá)到1mm。我們在商超常見的刷臉支付、社區(qū)刷臉門禁等均為3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)，更為適合應(yīng)用在近距離面部識別驗證等場景。

*3D結(jié)構(gòu)光原理 圖源：網(wǎng)絡(luò)

TOF（Time of flight）相機是通過專用傳感器，捕捉近紅外光從發(fā)射到接收的飛行時間差來判斷并計算出物體的距離信息，與結(jié)構(gòu)光相比，TOF可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量，更適合遠(yuǎn)距離應(yīng)用且算法較為簡單。

*用于距離測量和目標(biāo)檢測的TOF系統(tǒng) 圖源：網(wǎng)絡(luò)

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3D視覺技術(shù)與2D視覺技術(shù)的區(qū)別

了解3D視覺技術(shù)后，那么2D與3D的區(qū)別在哪里？2D視覺技術(shù)根據(jù)灰度或彩色圖像中對比度的特征提供結(jié)果，可以用來識別零件并創(chuàng)建動態(tài)適應(yīng)零件位置、角度和尺寸的檢測工具，從而實現(xiàn)零件移動的穩(wěn)定測量，是處理零件變化的關(guān)鍵。但2D技術(shù)無法提供更精準(zhǔn)的諸如物體平面度、表面角度、部分體積等的識別，3D視覺技術(shù)的出現(xiàn)彌補了2D的不足。

舉個例子，當(dāng)我們在網(wǎng)上搜索二手房信息時，2D成像僅能記錄視場范圍內(nèi)的色彩信息，但對于房屋內(nèi)的戶型、大小、高低的精度信息描述卻難以記錄，而基于3D視覺傳感器采集的信息，不僅有色彩信息，還增加空間幾何尺寸信息，更直觀地將房型的3D模型精準(zhǔn)呈現(xiàn)。

*2D與3D效果圖的區(qū)別 圖源：網(wǎng)絡(luò)

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3D視覺技術(shù)的應(yīng)用情況

3D視覺技術(shù)產(chǎn)品在經(jīng)過長期的研究發(fā)展后，在以下領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)推廣應(yīng)用，并在國民經(jīng)濟中發(fā)揮重要作用，賦能各行各業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化升級。

生物識別領(lǐng)域 生物識別是一種通過計算機、光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器等多個技術(shù)領(lǐng)域密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性（如指紋、人臉、虹膜）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)）進(jìn)行個人身份鑒定。在該領(lǐng)域中，通過3D視覺感知技術(shù)實現(xiàn)的生物識別方法如支付寶“蜻蜓”3D刷臉支付，以及通過搭載3D人臉識別實現(xiàn)的門鎖門禁、地鐵車站刷臉閘機等，未來3D人臉識別還將在更多場景為用戶提供便利服務(wù)，讓智慧城市生活成為現(xiàn)實。

AIoT領(lǐng)域

AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）=AI（人工智能）+IoT（物聯(lián)網(wǎng)）。3D視覺感知技術(shù)在AIoT領(lǐng)域的應(yīng)用包括3D空間掃描，如貝殼VR看房，通過3D視覺傳感器陣列組成的3D房屋掃描設(shè)備，可快速對房屋內(nèi)部進(jìn)行高精度三維重建，更精準(zhǔn)地還原房屋信息；服務(wù)機器人，即在餐廳用機器人代替服務(wù)員傳菜，通過3D視覺傳感器幫助機器人高效完成人臉識別、距離感知、避障、導(dǎo)航等功能；AR交互，即在現(xiàn)實場景中打造虛擬人物，通過3D視覺感知技術(shù)可幫助AR設(shè)備對周圍環(huán)境進(jìn)行三維重建，使得虛擬的立體影像疊加在現(xiàn)實場景中，同時使虛擬形象識別現(xiàn)實人的動作，從而進(jìn)行互動；此外在體感健身中，通過搭載3D視覺傳感器的設(shè)備對人體動作進(jìn)行捕捉、識別，讓人們足不出戶即可體驗到專業(yè)健身教練的指導(dǎo)；在體育比賽中，3D感知技術(shù)對快速移動的人體與物體進(jìn)行識別、定位，實現(xiàn)對高速運動中物體軌跡的3D重現(xiàn)，輔助裁判評分。

消費電子領(lǐng)域

3D視覺技術(shù)在消費電子領(lǐng)域主要應(yīng)用在智能手機等終端設(shè)備中。在智能手機品牌系列中，蘋果、華為、OPPO、魅族等分別嘗試在前置、后置視覺傳感器中使用3D結(jié)構(gòu)光與TOF技術(shù)，從而實現(xiàn)手機的人臉解鎖、支付、AR互動、AR試妝、美顏拍照等功能，使用戶達(dá)到最佳體驗感。

工業(yè)領(lǐng)域

在工業(yè)領(lǐng)域自動化生產(chǎn)中，最早2D視覺技術(shù)較為普遍，然而2D視覺一般只能解決平面上的問題，而對汽車、半導(dǎo)體、大型鋼材等行業(yè)的高精度需求，2D視覺技術(shù)顯然難以滿足。3D視覺技術(shù)對環(huán)境光變化不敏感且更加精準(zhǔn)，在產(chǎn)線中能夠快速檢測移動的物體并獲得形狀、空間坐標(biāo)等信息，常搭載2D協(xié)同運行，因此在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著高效作用。工業(yè)3D視覺主要應(yīng)用于三維掃描、微小形變測量、工業(yè)機器人的定位與導(dǎo)航等。

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汽車領(lǐng)域

我們在駕車行駛時，汽車輔助駕駛的實現(xiàn)需要感知車身周圍3D信息的360度環(huán)視系統(tǒng)。當(dāng)通過狹窄道路時，覆蓋車輛周邊所有視場范圍的4個廣角攝像頭能夠?qū)ν粫r刻采集到的多路視頻影像，處理成一幅車輛周邊360度的車身俯視圖，并在汽車中控臺上顯示，幫助駕駛員規(guī)避障礙物安全駕駛；此外，3D視覺感知也可實現(xiàn)車外車主身份識別，通過紅外3D人臉識別解鎖啟動系統(tǒng)，在身份確認(rèn)后即可無感啟動車輛。

3D視覺技術(shù)的快速發(fā)展，無論在涉及衣食住行的民用領(lǐng)域，還是在創(chuàng)新鏈帶動產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展的工業(yè)領(lǐng)域，都對提升終端智能化程度極為重要。未來，3D視覺技術(shù)將會助力各類終端更好地看懂三維世界，使其通過語音感知交互能力、視覺感知交互能力以及各種AI決策分析能力，擁有“嘴巴”“耳朵”“眼睛”和“大腦”與人類進(jìn)行互動。

隨著人工智能等技術(shù)的不斷提高，國產(chǎn)制造業(yè)也迎來了曙光。第六鏡科技以AI技術(shù)賦能工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，基于機器視覺技術(shù)推出“一種熱態(tài)鋼軌輪廓測量及缺陷檢測裝置”、“數(shù)字化煤倉”、“爐輥結(jié)瘤檢測儀”等智能硬件設(shè)備，提供了AI加持的工業(yè)機器視覺解決方案，助力企業(yè)降本增效提質(zhì)，加快智慧工廠的智能化升級。

審核編輯 ：李倩