三維機器視覺基礎(chǔ)

機器視覺能力正在迅速擴大超過二維圖像。

機器視覺技術(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用中得到廣泛的接受和應(yīng)用。雖然大多數(shù)這些應(yīng)用程序是在二維空間中，提供的系統(tǒng)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(yīng)用中的三維成像已經(jīng)存在多年，隨著技術(shù)的不斷擴大和成本的不斷縮小，三維成像技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣。由于這一個子集的機器視覺技術(shù)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(dǎo)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(guān)鍵概念，技術(shù)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(shù)據(jù)，我們使用這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可用于決策。本質(zhì)上是一個機器視覺系統(tǒng)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(zhuǎn)位置相對于相機。它是非常有價值的，當(dāng)機器視覺應(yīng)用可以利用額外的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的可用性。其他應(yīng)用程序，如自動導(dǎo)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(wù)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(fù)雜的檢查任務(wù)。

在數(shù)字成像世界中存在的許多技術(shù)和方法，用于獲取三維圖像和信息。在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究人員都在積極開發(fā)新技術(shù)，并改進現(xiàn)有的或商業(yè)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)是用于空間運動捕捉（想想微軟的Kinect）。上面提到的技術(shù)雖然，某些已經(jīng)獲得了更廣泛的使用在工業(yè)自動化，由于部分原因：1）的性質(zhì)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在機器視覺項目，2）的可靠性和魯棒性的技術(shù)，更關(guān)鍵的是，3）在工廠車間環(huán)境的易用性。更常見的（現(xiàn)在）機器視覺的三維成像技術(shù)是立體聲（或多個）相機成像，使用的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)

在考慮哪些技術(shù)（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(biāo)應(yīng)用。在一般情況下，有兩種類型的三維圖像數(shù)據(jù)，可以在典型的機器視覺應(yīng)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(shù)，不同的技術(shù)可能會產(chǎn)生任何類型的數(shù)據(jù)取決于實現(xiàn)。）

 

點云

當(dāng)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(nèi)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(shù)和組件。隨著一個點云數(shù)據(jù)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?qū)ο蟮幕A(chǔ)上的空間高度相對于一個平面測量或質(zhì)量評價；或搜索和提供的對象的位置在一個復(fù)雜的場景，根據(jù)存儲的三維模型的對象的形狀，往往是機器人指導(dǎo)的目的。

 

單點

從一個三維場景的數(shù)據(jù)可以只是個別點相關(guān)的特定的功能或?qū)ο蟮奈恢?。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(yīng)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(zhì)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(fù)雜的或混亂的場景不能實現(xiàn)與一個完整的點云。

如何在機器視覺中使用的數(shù)據(jù)是依賴于應(yīng)用程序。一個重要的考慮因素是應(yīng)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(jīng)加工的三維圖像點提供一個X，Y，Z的相對位置平面。當(dāng)與圖像中的其他相關(guān)點相結(jié)合時，應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)（W，P，R）相關(guān)的角度。（常見的是X，Y和Z軸的位置隨著繞Z軸旋轉(zhuǎn)的對象，有時被稱為2?三維機器視覺）。

一個清晰的了解應(yīng)用程序的要求，圖像內(nèi)容和所需的數(shù)據(jù)輸出是很重要的，以確定適當(dāng)?shù)?/span>3D成像技術(shù)和組件的機器視覺項目。

三維成像技術(shù)和組件

如前所述，各種各樣的成像技術(shù)的存在，可以提供三維信息的機器視覺應(yīng)用。我們將簡要回顧這些技術(shù)的三，所使用的組件，和典型的應(yīng)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(dāng)?shù)男?zhǔn)，兩個不同的傳感器的幾何關(guān)系被定義相對于一個固定的世界坐標(biāo)系統(tǒng)。這種成像方法的一個相對簡單的任務(wù)是定位相同的（或相應(yīng)的）在每個字段中的目標(biāo)特征，并應(yīng)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(xiàn)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(yīng)問題。立體照相機的三維成像技術(shù)來提高使用極線幾何圖像中的點對點通信的結(jié)果更高級別的算法。以這種方式，立體成像可以產(chǎn)生一個三維點云的場景，雖然數(shù)據(jù)可能不是有效的圖像中的每一個像素。

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光的系統(tǒng)，利用已知的光照圖案的幾何失真在一個復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)系統(tǒng)，單獨的線圖像相結(jié)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(yīng)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(dāng)?shù)模瑸橐蟮臋C器視覺任務(wù)。改進的技術(shù)正在實施的一些供應(yīng)商。

 

執(zhí)行中的挑戰(zhàn)

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(shù)，無論技術(shù)。特別是，三維系統(tǒng)和組件必須仔細設(shè)置和校準(zhǔn)，以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。有一些獨立的系統(tǒng)在市場上，預(yù)先校準(zhǔn)到一個特定的領(lǐng)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(wù)，照明仍然是一個重要的考慮因素。關(guān)于使用正確和適當(dāng)?shù)墓獾膽?yīng)用程序的所有通常的預(yù)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(dāng)試圖圖像的一個對象，預(yù)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(shù)據(jù)，更好的潛在的強大和可靠的應(yīng)用。隨著三維檢查技術(shù)變得更容易獲得，和熟悉的機器視覺工程師，技術(shù)的價值將是明顯的機器視覺任務(wù)的一個增長的子集。