電子發(fā)燒友App
?
3D機(jī)器視覺(jué)的技術(shù)路徑和場(chǎng)景適用
Edited by 4thInstitute
一、3D相機(jī)的典型應(yīng)用領(lǐng)域:
1）在工業(yè)環(huán)境中自動(dòng)駕駛車(chē)輛（如叉車(chē)）檢測(cè)障礙和進(jìn)行“人工”導(dǎo)航
2）機(jī)器人控制的傳送帶抓取作業(yè)或零件拾取作業(yè)
3）進(jìn)行有無(wú)檢測(cè)，即使容器/箱子中的對(duì)象相比背景根本沒(méi)有對(duì)比度，也可以對(duì)其進(jìn)行檢查和計(jì)數(shù)
4）對(duì)電路板上的組件進(jìn)行位置和有無(wú)檢查
5）對(duì)各種對(duì)象進(jìn)行體積測(cè)量等
二、流行的3D技術(shù)
3D圖像處理常使用的技術(shù)包括：
1）立體視覺(jué)和結(jié)構(gòu)光
2）激光三角測(cè)量法
3）ToF(Time-of-Flight)
三、立體視覺(jué)和結(jié)構(gòu)光
立體視覺(jué)的工作原理依照人類(lèi)的一雙眼睛。使用兩個(gè)相機(jī)記錄一個(gè)對(duì)象的兩個(gè)2D圖像。并且，從兩個(gè)不同的位置記錄同樣的場(chǎng)景，借助三角測(cè)量原理，使用深度信息合成一幅三維圖像。
立體視覺(jué)使用從兩個(gè)普通的2D面陣相機(jī)提供的圖像數(shù)據(jù)，為場(chǎng)景提供深度值。同時(shí)，根據(jù)相機(jī)位置以及應(yīng)用的幾何信息對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整后，使用匹配算法搜索右側(cè)和左側(cè)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，創(chuàng)建場(chǎng)景的深度圖像。
此方法運(yùn)行的工作距離取決于基準(zhǔn)（相機(jī)之間的距離），因此因情況而異。
提高立體系統(tǒng)性能的一種方式是向立體解決方案添加結(jié)構(gòu)光。通過(guò)使用光源將明亮的幾何圖案投射在場(chǎng)景上，可以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，這顯著降低因均質(zhì)表面和低光造成的立體影像缺陷。通過(guò)校準(zhǔn)投射燈和相機(jī)，甚至可以不使用第二臺(tái)相機(jī)。
3.1立體視覺(jué)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
+?可以在較短距離內(nèi)獲得高精度
+?可以使用2D面陣相機(jī)
+?陽(yáng)光照射不是問(wèn)題
+?高反光（稱(chēng)為難處理表面）的情況下也可以使用
-?不能用于均質(zhì)表面
-?在低光照條件下不能運(yùn)行
-?高計(jì)算能力導(dǎo)致實(shí)時(shí)性難以實(shí)現(xiàn)
3.2結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
+?可以在較短距離內(nèi)獲得高精度
+?可以使用2D面陣相機(jī)
+?陽(yáng)光照射不是問(wèn)題
+?高反光（稱(chēng)為難處理表面）的情況下也可以使用
-?高計(jì)算負(fù)載導(dǎo)致實(shí)時(shí)性難以實(shí)現(xiàn)
-?設(shè)置復(fù)雜、安裝成本高，導(dǎo)致總體系統(tǒng)成本高昂
3.3立體視覺(jué)和結(jié)構(gòu)光的典型應(yīng)用領(lǐng)域
立體視覺(jué)可以實(shí)現(xiàn)較高精度。難處理表面不會(huì)對(duì)立體視覺(jué)造成較大影響，但始終要求對(duì)象存在少量參考標(biāo)記或隨機(jī)圖案。這意味著這種技術(shù)一般不太適合在生產(chǎn)環(huán)境中使用。立體視覺(jué)通常的應(yīng)用范圍包括：坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，工業(yè)、服務(wù)或機(jī)器人系統(tǒng)方面應(yīng)用的對(duì)象和工作區(qū)的3D測(cè)量，以及危險(xiǎn)工作區(qū)或人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入的工作區(qū)的3D顯示。立體系統(tǒng)也非常適合在室外區(qū)域的測(cè)量系統(tǒng)中使用，如在鋸木廠中測(cè)量和檢查樹(shù)干。
然而，如果可以接受高處理負(fù)載、復(fù)雜的安裝工作和更高成本，在添加結(jié)構(gòu)光后，立體視覺(jué)也適合進(jìn)行目標(biāo)測(cè)量的工業(yè)應(yīng)用。
四、激光三角測(cè)量法
在運(yùn)用激光三角測(cè)量法時(shí)，結(jié)合使用了2D相機(jī)和激光光源。在此過(guò)程中，激光將線或點(diǎn)投射在相機(jī)前的場(chǎng)景上。
激光線或點(diǎn)出現(xiàn)在相機(jī)前的對(duì)象上，由2D相機(jī)記錄。如果使相機(jī)跨過(guò)目標(biāo)或在目標(biāo)旁移動(dòng)（例如通過(guò)傳送帶），被測(cè)量對(duì)象到芯片之間的距離會(huì)改變，那么激光線或點(diǎn)的觀察角度隨它們?cè)谙鄼C(jī)圖像中的位置一起變化。這樣，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算，對(duì)象和光源之間的距離就可以通過(guò)圖像中的位置坐標(biāo)計(jì)算得出。
4.1激光三角測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
+?精度極高
+?照明條件較差時(shí)仍可工作
+?可用于鏡面反射或高反光（難處理）表面
-?需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光掃描，導(dǎo)致速度較慢
-?工作距離小
-?高精度要求采用非常昂貴的單個(gè)組件
-?設(shè)置復(fù)雜、安裝成本高，導(dǎo)致總體系統(tǒng)成本高昂
-?如果沒(méi)有安全的預(yù)防措施無(wú)法保證眼睛安全
4.2激光掃描儀的應(yīng)用領(lǐng)域
激光三角測(cè)量法對(duì)于準(zhǔn)確性要求極高的應(yīng)用，常常是一種好的選擇。而對(duì)于高反光且光照條件不理想的難處理表面，也建議選擇激光三角測(cè)量法。舉例來(lái)說(shuō)，在亞毫米級(jí)范圍內(nèi)測(cè)量高反光的金屬片就是激光三角測(cè)量法的典型應(yīng)用。另一個(gè)例子是對(duì)玻璃瓶進(jìn)行分揀，這種情況下對(duì)比度極小。
五、Time-of-Flight?方法
TheTime-of-Flight?方法是獲取深度數(shù)據(jù)及測(cè)量距離的非常有效的技術(shù)。ToF (Time-of-Flight)相機(jī)為每個(gè)像素提供兩種信息：亮度值（描述為灰度值）以及相機(jī)和目標(biāo)的距離（即深度值）。
ToF(Time-of-Flight)方法有兩種不同的用法：連續(xù)波和脈沖ToF (Time-of-Flight)方法。基于連續(xù)波的Time-of-Flight測(cè)量法，是一種根據(jù)可調(diào)節(jié)亮度光源的發(fā)射光和反射光之間的相位差來(lái)進(jìn)行測(cè)量的方法。
使用脈沖ToF(Time-of-Flight)原理的相機(jī)，是根據(jù)發(fā)射光脈沖和反射光脈沖之間的時(shí)間延遲來(lái)確定距離。
ToF(Time-of-Flight)相機(jī)是一個(gè)緊湊的系統(tǒng)，沒(méi)有可移動(dòng)部件，它由以下組件組成：
1）主動(dòng)集成光源
2）集成鏡頭
3）ToF（Time-of-Flight）芯片
光源會(huì)發(fā)出光脈沖，光擊中物體后會(huì)反射回相機(jī)芯片，集成鏡頭能夠確保反射回來(lái)的光可以擊中芯片。簡(jiǎn)單而言，即根據(jù)光線從發(fā)出到返回芯片所需的時(shí)間，可以確定距離，進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)像素的深度值。借助此過(guò)程就可以簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)地描繪出散點(diǎn)圖/深度圖，并同時(shí)提供一幅強(qiáng)度與置信圖。
5.1 TOF的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
+?一次記錄場(chǎng)景，無(wú)需掃描
+?高速度
+?在多部分圖像中提供2D和3D信息
+?高X/Y分辨率
+?系統(tǒng)緊湊，無(wú)移動(dòng)組件
+?在低光條件下工作理想
+?確保眼睛安全
+?無(wú)結(jié)構(gòu)或?qū)Ρ榷纫?/p>
+?只要提供足夠強(qiáng)的光源，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)工作距離
+?總體系統(tǒng)成本低
+?可實(shí)現(xiàn)高度實(shí)時(shí)性
-?鏡面反射及高反光（難處理）表面存在問(wèn)題
-?對(duì)雜散光敏感
5.2 ToF (Time-of-Flight)的典型應(yīng)用領(lǐng)域
ToF相機(jī)適合用于要求工作距離長(zhǎng)、高速成像、復(fù)雜度低的應(yīng)用。如果想要相機(jī)具備上述幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)預(yù)算經(jīng)費(fèi)有限，不要求具備毫米級(jí)以下的精度，那么ToF技術(shù)就是合適的選擇。
物流、碼垛和卸垛任務(wù)的容積測(cè)量以及物流環(huán)境中的自動(dòng)駕駛車(chē)輛都適合采用ToF (Time-of-Flight)相機(jī)。ToF(Time-of-Flight)相機(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域也獲得了令人興奮的新任務(wù)，那就是定位和監(jiān)測(cè)患者。在工業(yè)領(lǐng)域中，由于ToF (Time-of-Flight)相機(jī)的深度精度相對(duì)較低，采用這種相機(jī)的系統(tǒng)更適合一般化任務(wù)，如較大對(duì)象的選擇和放置應(yīng)用。它們還可以用于機(jī)器人控制系統(tǒng)或大型對(duì)象的測(cè)量和位置檢測(cè)，例如用于汽車(chē)制造。
六、3D技術(shù)的比較
| ? | 立體視覺(jué) | 結(jié)構(gòu)光 | 激光掃描儀 | ToF |
| 范圍 | 中到遠(yuǎn) | 中 | 短 | 遠(yuǎn) |
| 分辨率中 | 中 | 中 | 不同 | 高 |
| 深度精度 | 在短工作范圍內(nèi)為中到極高精度 | 在短工作范圍內(nèi)為中到極高精度 | 極高 | 中 |
| 軟件復(fù)雜性高 | 高 | 中 | High | 低 |
| 實(shí)時(shí)性 | 低 | 低到中 | Low | 高 |
| 低光條件下的運(yùn)行情況 | 差 | 好 | 好 | 好 |
| 戶(hù)外區(qū)域 | 好 | 差 | 中 | 好 |
| 緊湊性 | 中 | 中 | Weak | 非常緊湊 |
| 材料成本 | 中 | 高 | 高 | 中到高 |
| 總運(yùn)行成本 | 高 | 中到遠(yuǎn) | 高 | 中到高 |
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論