细看三维成像

   有多种方法可以捕获第三维，机器视觉的每一种技术都各有其优缺点。

   图1：三维成像技术的分类：主动或者被动；三角测量、飞行时间或者干涉法。来源：SICK

   图2：在考虑Z轴分辨率和精度VS距离和视场（FOV）时几种三维技术的比较。来源：SICK

   有很多种可能的方法来解决一个特定的视觉任务。在某些情况下，选择二维还是三维是很容易决定的，但在另外一些情况下，这两种技术都可行，各有其优点，因此理解这些优点，以及它们如何应用到一个给定的场合以提供一个可靠的机器视觉解决方案就非常重要。在一般情况下，三维不仅最适合分析物体的体积、形状或三维位置，也适合检测对比度低但是有一个可检测高度差的零件和缺陷。第三维主要用于测量、检查和定位，但也某些情况下，三维也可以用来读取对比度信息缺失的压印代码或文字。

    捕获第三维可以以许多不同的方式来完成，机器视觉的每一种技术都有其优缺点。三维成像可以分为两大类：被动和主动。它可以进一步分成更具体的技术。被动技术包括到焦点的深度，光场和体视（stereo)。主要的主动技术包括基于飞行时间、结构光和干涉法。

   三维成像可以进一步根据图像如何实际获得而分类，包括快照和扫描方法。

快照技术

   主动和被动系统都可以使用“快照”（snapshot)方法。因为“快照”方法在相机中已经使用多年，因此大多数人都熟悉这种方法。快照方法在捕获图像所有像素的同时创建快照图像。在被动体视的情况下，人们从不同的角度拍摄多幅图像，图像之间的差异被用来计算到物体的距离（和人的视线一样的原理）。如果相机可以移动到多个位置的话，这种方法用一台相机就可以完成。 

   主动快照技术包括飞行时间，它测量了光到达目标和返回到传感器阵列所需的时间。在这种方式中，只需要一个传感器，传感器的每个像素直接得到一个三维测量。还有其他多种快照技术，比如主动选项编码的光投影。在这种情况下，当照明图案变化时，捕获同一个物体的多幅高速图像。然后，根据照明图案的差异，创建一个有深度信息的复合图像。典型的图案是一系列越来越窄的线条；越来越精细的线条可以用来实现更高的分辨率。 

扫描技术

   在扫描技术中，比如激光三角测量，激光照射在物体上，当物体通过扫描区域移动时，相机捕获（通常是高速）的光投影的图像。另一种扫描技术是到焦点的深度。在一个预定范围内抓拍一系列图像，创建三维数据。扫描一系列的图像，通过确定局部焦点的最大化来计算距离。这种方法，不需要结构光，因而通常较慢，物体需要有一定的结构以估计焦点位置。

    在扫描技术中，无论是在测量区域内移动物体，还是在物体上移动相机,3D图像都是通过获取二维轮廓来实现的。为了获得正确的三维数据，从而获得一个有效的三维图像，运动必须是恒定的或信息已被很清楚得获得，例如，通过使用一个编码器跟踪运动。所创建的三维图像通常是非常准确的。快照技术以一个典型的消费类相机一样的单镜头创建一个完整的物体三维图像，但是是以三维的方式。无需移动物体或相机，但产生图像的技术不如扫描技术准确。

   下面更详细的3D成像技术描述包括激光三角测量（扫描），飞行时间（快照）和体视（快照）。

激光三角

    激光三角测量使用一个激光线和一个摄像头来收集整个对象的高度分布。当对象移动时，配置文件放在一起创建一个3D图像。由于高度轮廓采集需要的对象的运动，该方法是一种扫描技术。激光三角测量具有更高的测量精度比飞行时间，但它有一个更有限的测量范围。此外，遮挡是可能的，当它被隐藏在一个对象背后时，相机不能看到激光。典型的应用包括日志/板/单板木材检查，电气元件/焊锡膏检查，食品和包装检查应用。下面是一些激光三角测量的关键优势和局限性：

优点:

• 不需要环境光

• 高细节分辨率和精度

• 相对较短的测量范围

• “微米到毫米”分辨率的可扩展性

• 不需要对移动物体进行额外的扫描

局限性：

• 遮挡（阴影效果）

• 激光散斑

• 不适合大型户外应用（~ > 1米视场）

• 没有快照

飞行时间

    飞行时间（TOF）三维照相机使用快照创建3D图像。这意味着无需移动物体或照相机。这种技术测量光信号在设备和目标之间的飞行时间来得到图像的每一个点。通过获取相对初始信号的信号到达时间的相移，可以计算出设备和目标之间的距离，其结果是目标的即时三维图像。飞行时间非常适合于大视场角和超过0.5米工作距离的应用场合。

优势:

• 无需环境光

• 测量范围大

• 相对较低的细节分辨率和精度

局限性：

• Z分辨率 > 厘米

• X-Y分辨率

• 二次反射

• 快速运动 

体视

    立体成像类似于人类视觉的作品，并提供快照3D图像，而不需要外部运动。它结合了两个从不同的位置拍摄的二维图像，并发现图像之间的相关性，以创建一个深度图像。不像激光三角法和TOF，立体声技术不依赖于专用光源。然而，要找到相关性，这两个图像需要有足够的细节和对象的足够的纹理或非均匀性。因此，它适用于具有大视场和户外使用的应用程序。为了获得更好的结果，一个人可能需要添加这些细节通过照明与结构化照明的场景。

优点:

• 测量范围大

• 适用于户外应用

• 可以“冻结”一个移动的物体/场景

• 真正的快照

• 良好的支持在视觉软件包

局限性：

• 没有结构 - 没有数据，这会导致照明限制

• 在X和Y轴低细节水平，通常和像素相比为~ 1:10

• Z轴精度差

• 有限相机聚焦深度

    总之，有几种方法来实现三维成像，选择一个取决于这将是最适合一个给定的应用程序和它的环境。正如有几种方法来捕获三维数据，有一对夫妇的不同的方式来处理这些图像。

可配置的视觉传感器

    最简单的视觉系统是自包含的相机内置的图像触发，照明和嵌入式图像分析能力。他们的配置是简单的，可以进行任何技术上为导向的人经过几个小时的培训。可配置视觉传感器的重要好处包括：

  单独操作

  参数配置

  结果输出

  直观的图形用户界面的配置

  快速解决方案的开发

  通过PC的远程配置

  嵌入式图像处理 

可编程（智能相机）

    这些相机都是在中档的复杂。像可配置的，分析是嵌入在设备中。不同的是，他们是更灵活的硬件配置和软件编程。几天的培训是必要的，成为一个应用程序开发人员。可编程智能相机的重要好处包括：

  单独操作

  通用的用户编程

  结果输出

  灵活使用特制的图形用户界面

  灵活的解决方案的开发

  通过PC的远程配置

  嵌入式图像处理 

流媒体（PC VISION）

    最灵活的视觉系统是基于PC的。相机产生的图像，而在PC上进行分析。专家应用程序开发人员往往喜欢这种类型的系统，因为它允许充分的灵活性，以创建两个定制的系统功能和算法在苛刻的应用。流媒体的重要好处包括：

• 数据流的相机

• 外部PC机处理

• 多样化的图像采集

• 二维和三维图像数据输出

• 开发图形用户界面（GUI）的灵活性

• 完全灵活的解决方案开发

• 通过PC的远程配置

• 软件开发工具包

• 个人计算机图像处理

为您的应用选择合适的技术

    测量第三维提供了物体的高度、形状或体积信息，但是要求仍然经常难以确定。对一些用户或客户来说，3D的要求可能难以定义，因为他们不习惯以这种方式定义事物，因此，与客户一起来定义要求，同时以迭代的方式来进行测试会是一个好的策略。

    任何视觉项目，都必须定义零件的要求和验收标准。这包含了零件分级从来不是100%的思想。这意味着必须和你的客户一起定义假阳性（false positives,拒收合格零件）与假阴性（false negatives,接受不合格零件）的影响。对不同应用这种影响是不同的。 

   有如此多可能的捕获和处理三维数据的不同选择，这似乎是淹没性的，但如果你集中在一些基本性的指标，比如视场，到物体的距离，应用速度，待测物体的速度和要求的整体分辨率，你就会找到一个适合解决你应用场合的技术。

文章编译自A Closer Look at 3D imaging, 由无锡奥普顿光电子有限公司翻译，原文发表于2016年9月1日。