3D成像技術(shù)在機器視覺中發(fā)揮的作用

想要機器人能夠快速、精準且輕松地抓取和放置貨物？事實上，至今仍然需要漫長而艱難的設(shè)置和培訓(xùn)階段，才能實現(xiàn)這個看似簡單的任務(wù)。具有空間感、能夠像人一樣交互的機器人更像是科幻故事中的情節(jié)，現(xiàn)實中尚未能實現(xiàn)。然而，隨著3D技術(shù)普遍在機器視覺中發(fā)揮的作用日益增大，目前3D成像過程出現(xiàn)了許多變化。

主要的3D方法有哪些？

3D技術(shù)可以在機器人、工廠和物流自動化以及醫(yī)療領(lǐng)域大展身手，因為它可以為解決復(fù)雜的圖像處理任務(wù)開辟新天地。3D圖像處理技術(shù)特別適用于了解物體的體積、形狀、3D位置和方向，例如物流部門需要將商品快速且安全地從A點運送到B點。但是生成3D圖像需要哪種技術(shù)呢？

當前,生成3D圖像數(shù)據(jù)有四種不同方法：

ToF（Time-of-Flight）

激光三角測量法

立體視覺

結(jié)構(gòu)光

四種方法之間有何不同？

立體視覺和結(jié)構(gòu)光

立體視覺的工作原理與人眼類似。需要使用兩個2D相機從兩個不同位置為被測量物體拍攝圖像，并使用三角測量原理計算3D深度信息。但是當需要觀察均勻的表面，以及當照明條件不良時可能難以進行計算，因為通常數(shù)據(jù)過于混亂，無法得出確定的結(jié)果。這個問題就可以通過結(jié)構(gòu)光來解決，從而為圖像生成清晰的預(yù)定義結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用領(lǐng)域

立體視覺的一個明顯優(yōu)點是：它在測量工作范圍較小的物體時可以實現(xiàn)高精度。如果要實現(xiàn)高精度，通常需要將參考標記、隨機圖案或由結(jié)構(gòu)化光源產(chǎn)生的光圖案投影到被測物體上。立體視覺通常適用于坐標測量技術(shù)和工作空間的3D測量。然而，這種技術(shù)一般不適合在生產(chǎn)環(huán)境中使用，因為它的處理器負載較高，在工業(yè)應(yīng)用中會增加整體系統(tǒng)的成本。

激光三角測量法

激光三角測量法使用的是2D相機和激光光源。激光會將光線投射到目標區(qū)域，然后再使用2D相機進行拍攝。光線在接觸被測物體的輪廓時會發(fā)生彎曲，因此可以根據(jù)多張照片中的光線位置坐標，計算出物體和激光光源之間的距離。

應(yīng)用領(lǐng)域

此方法采用了結(jié)構(gòu)光的方法，因此在應(yīng)對復(fù)雜的表面時，或當環(huán)境光較弱時，相應(yīng)的問題也能迎刃而解。即使物體的對比度較低，激光三角測量法也可提供高精度的數(shù)據(jù)。但是，激光三角測量法存在一個問題：它速度相對較慢，難以適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)環(huán)境中不斷加快的速度。在掃描過程中，此技術(shù)要在被測量物體保持靜止時才能記錄激光線的改變情況。

ToF(Time-of-Flight)

在獲取深度數(shù)據(jù)及測量距離方面，ToF (Time-of-Flight)方法是一項非常高效的技術(shù)。ToF相機為每個像素提供兩種信息：亮度值（灰度值）以及芯片與被測物體之間的距離（即深度值）。

ToF (Time-of-Flight)技術(shù)可進一步分為兩種不同方法：連續(xù)波和脈沖ToF。

脈沖ToF是根據(jù)光脈沖的傳播時間來測量距離，因此它需要配合非常快速、精準的電子元件。目前，該技術(shù)能夠在合理的成本范圍內(nèi)生成精確的光脈沖以及進行精準測量。相比連續(xù)波的工作過程，這種技術(shù)所需的芯片要以更高的分辨率進行工作，由于它的像素較小，因此能夠更高效地利用芯片表面。

集成光源發(fā)出的光脈沖會在照射物體后反射回相機。然后，即可根據(jù)光線再次到達芯片前的傳播時間計算出距離，從而得出每個像素的深度值。這項技術(shù)可以輕松實時生成點云，同時還可以提供強度和置信圖。

應(yīng)用領(lǐng)域

ToF方法非常適用于物流和生產(chǎn)環(huán)境中，可以執(zhí)行體積測量、堆垛任務(wù)和自動駕駛車輛。ToF相機還可以在醫(yī)療領(lǐng)域幫助進行定位和監(jiān)測患者，以及在工廠自動化中執(zhí)行機器人控制和箱子抓取任務(wù)。

哪種技術(shù)適合我的應(yīng)用？

與2D相機一樣，可以使用單一技術(shù)解決所有問題的3D相機并不存在。因此我們必須綜合權(quán)衡各種要求，確定最優(yōu)化的選擇。

在為應(yīng)用選擇技術(shù)時需要考慮以下關(guān)鍵問題：是否需要檢測物體的位置、形狀、存在情況或者物體方向？需要達到什么精度水平？物體的表面狀態(tài)如何？應(yīng)用的工作距離和運行速度分別是多少？另外計劃方案的成本和復(fù)雜程度還必須與3D技術(shù)的能力相匹配。

審核編輯：郭婷