三維成像：機器視覺的一個實用的概述

三維成像技術(shù)已迅速發(fā)展，在機器視覺中有它的使用。三維成像在其他領(lǐng)域，如對象和空間建模，計算機視覺，研發(fā)工作或自主機器人的指導，一些在這些領(lǐng)域中使用的方法有很少或沒有在機器視覺中使用。而其他領(lǐng)域，機器視覺之間的界限往往是模糊的、象征性的差異影響的三維機器視覺技術(shù)得到應用。其中包括需要完成重復性的自動檢測、機器人導航和自動圖像分析任務迅速接近100%的可靠性在合理明確的方案。

某些機器視覺方法能夠提取有限的三維信息，而不實際開發(fā)的三維圖像。這些方法的例子是使用結(jié)構(gòu)化的激光照明或系統(tǒng)，可以確定從已知的對象的表觀尺寸的距離。

相對于傳統(tǒng)的2-D，機器視覺3-D成像不一定是“升級”。相反，它是影像的不同方法，該方法是在某些區(qū)域更加有限并且更能夠在其他人。的3-D成像方法不產(chǎn)生灰度或彩色信息，盡管傳統(tǒng)的成像可被添加到完成此。三維成像確實提供了產(chǎn)品的表面的形狀的信息，并且不需要亮度/暗度或顏色的差異來創(chuàng)建圖像。

由于這些長處和短處，三維成像是一般只用于當它是必要的做的事情是不可能或難以做與傳統(tǒng)的成像。

在機器視覺中使用3D的最常見的原因是情況下，它可以創(chuàng)建可靠的分化的功能或缺陷，這樣是不可能的或難以用傳統(tǒng)的成像。分化需要對比度，因此，最簡單的應用程序的二維成像涉及識別功能，是不同的顏色或黑暗相比，圍繞他們。當這樣的差異不可靠的存在，更復雜的空間解決方案（照明幾何等），可以使用在二維視覺，但當這樣是不夠的或不利影響的可行性，移動到3D往往是最好的選擇。

大多數(shù)方法開始通過產(chǎn)生一個深度圖類型圖像。例如，這可能是一個二維像素陣列（只是作為一個傳統(tǒng)的二維圖像）但不是每個像素包含灰度或RGB顏色值，它包含“Z”（第三）從圖像或想象的觀賞點各點的距離信息。一個或多個深度的地圖圖像可以轉(zhuǎn)化成一個“點云”，其中包含每一個點的三個維度。雖然深度圖是更有限的，它可以表示，它有優(yōu)勢，它可以經(jīng)常使用相同的機器視覺工具，作為二維視覺處理。例如，要找到“凸點”的表面上的缺陷，高度可能被編碼為一個灰度值，高于一定的高度的區(qū)域可以被分離的閾值，并通過計算和篩選常見的參數(shù)，如面積和周長的缺陷的閾值，并通過計算和篩選（尺寸）。同樣，凸起或凹下的文字或二維碼可以從背景中分離出來，通過閾值，然后讀取OCR或通過標準的代碼閱讀工具。

 

三維掃描/三角測量

這是機器視覺中最常用的方法。這的一個原因是，它已在機器視覺中的大量使用的最長的。

這項技術(shù)使用一個激光（通常是紅外）掃描一次一行一行的工作，一個成像器，在每一個點產(chǎn)生的。成像器和激光器位于已知位置和（不同）角度相對于產(chǎn)品。由于成像器和激光的位置和角度是已知的，這使得處理器，以確定每個點生成的位置（在三維空間中）。這是做一整個行。然后，當成像系統(tǒng)或產(chǎn)品被移動在一個控制的“掃描”的方式，它重復了下一行和數(shù)百或數(shù)千額外的過程，直到工作片所需的部分已被覆蓋。所有的數(shù)據(jù)放在一起到一個深度圖的三維圖像的掃描區(qū)域的產(chǎn)品。

這種方法的一個限制（實際上是在這篇文章中所涵蓋的所有成像方法）是，只有“看到”由兩個元素的區(qū)域（在這種情況下，激光和相機）成像。對于這種特殊方法的一些更重要的限制是：

要創(chuàng)建一個圖像，無論是工件或成像系統(tǒng)必須穩(wěn)定和準確地移動在掃描型運動。這通常需要添加一些類型的運動控制系統(tǒng)。還的圖像采集時間包括整個掃描過程中，這是太慢了許多應用程序的時間。最后，這樣的一個添加（特別是如果它涉及到處理和移動的工作片）通常是不允許的“添加”的解決方案，不能修改現(xiàn)有的制造和產(chǎn)品流程。 

該系統(tǒng)依賴于散射（不反射）從激光沖擊點的光，所以只有產(chǎn)品/區(qū)域，可以成像散射光。光亮的對象，那么這個方法可以形象。例如，一個白色的產(chǎn)品將是最容易的圖像和鏡子將是最困難的。

由于圖像是每個掃描周期只有一次，一個“活”的圖像（例如，用于安裝和瞄準），這需要約30個圖像每秒是不可用的。

 

立體成像

像一組人眼，立體成像是基于兩個相機拍攝的一個產(chǎn)品或“場景”的兩個不同的意見，這些相機在同一平面上略有不同，采取的圖像，然后存儲在計算機中。由此產(chǎn)生的圖片是不完全相同的，兩個相機之間的空間意味著所產(chǎn)生的圖像顯示相同的場景，但從稍微不同的角度。接下來，兩圖像之間的共性和差異的確定。的差異被稱為“差異”的位置的功能。它是將圖像或“3-d-ness”它的深度的差異。

對于人類，立體視覺和其產(chǎn)生的深度知覺是至關(guān)重要的行動，如駕駛，投擲/捕捉一個球，甚至穿針。這并不是說，這些活動不能沒有這種類型的視覺，但它使生活更容易。與立體機器視覺不同的是，人的“視覺”的一個對象來自頭腦，它結(jié)合了大量的其他信息（如知識的世界和共同的對象）與從眼睛接收的信息，所以類比有其局限性。

這種方法的主要限制是機器視覺的興趣必須是可見的（可靠地分化），使用傳統(tǒng)的成像，在機器視覺中使用的是最常見的原因是因為這種分化是不可用的。另一種顯著的限制是，只用于區(qū)分功能的三維信息。這些限制是其中的主要原因，它在機器視覺中使用的是至少在這篇文章中所描述的三種方法。

 

“一槍”基于網(wǎng)格的三維成像

在機器視覺中快速增長的一種新的三維技術(shù)是使用一個不可見的（近紅外或紅外）專門網(wǎng)格的投影的“一個鏡頭”的方法。它是以各種不同的名字銷售的。此方法可以被理解為從一個類似的配置類似的掃描三角測量方法（發(fā)射器和一個攝像頭在已知的位置和角度）。不同的是，它在一個時間在整個產(chǎn)品區(qū)域的一個專門的（例如偽隨機）網(wǎng)格。成像和處理系統(tǒng)“知道”的起始點，在每一個網(wǎng)格的視圖字段中的角度和位置。從這一點，它計算其三維位置，并把它放在一個深度地圖圖像。

這種新方法的最大優(yōu)勢（成熟的三角測量方法相比）是，它需要一個鏡頭在一個鏡頭的整個場景的照片。成像器或工件（和這樣的時間和機器的時間和機器）的控制掃描運動是不需要的。這大大擴展了應用程序的范圍?，F(xiàn)場圖像也可用，使它更容易設置。

這種方法的兩個限制是相同的激光三角測量。它可以只圖像區(qū)域，這兩個元素都可以“看到”，并要求表面散射光。

這種方法相比，傳統(tǒng)的三角測量的兩個額外的限制是（通常）較低的精度和更長的最小工作距離。新版本的這項技術(shù)正在取得重大進展，縮小這兩個領(lǐng)域的差距。

這兩種三維成像技術(shù)和他們的采用機器視覺應用程序繼續(xù)增長。相比，二維成像，他們提供了新的能力和局限性，不同的被認為是所考慮的?；谶@兩個知識的明智決策是必要的。新的功能允許正在進行的擴展的應用程序，可以解決使用機器視覺的范圍內(nèi)。