要談3D視覺(jue)應用(yong)方案，就必須先弄(nong)清楚光學測(ce)量分類以及(ji)其原理。光學測(ce)量分為主(zhu)動測(ce)距(ju)法和被動測(ce)距(ju)法。

主動(dong)測距方法的(de)基本(ben)思想是利用(yong)特(te)定(ding)的(de)、人(ren)為控(kong)制光(guang)源和(he)(he)聲(sheng)源對物(wu)體目標(biao)進行照射(she)，根(gen)據物(wu)體表(biao)面的(de)反射(she)特(te)性及光(guang)學(xue)、聲(sheng)學(xue)特(te)性來獲取(qu)目標(biao)的(de)三(san)維信息(xi)。其特(te)點是具有(you)較高的(de)測距精度、抗(kang)干擾能力和(he)(he)實時(shi)性，具有(you)代表(biao)性的(de)主動(dong)測距方法有(you)結構光(guang)法、飛行時(shi)間法、和(he)(he)三(san)角測距法。

1. 主動測距法
（1）結構光法
根據投影光束形態的(de)不(bu)同，結構(gou)光法(fa)又可分(fen)為光點式結構(gou)光法(fa)、光條式結構(gou)光法(fa)和光面(mian)式結構(gou)光法(fa)等。

目前應用中較廣，且在深度測量中具有明顯優勢的方法是面結構光測量法。面結構光測量將各種模式的面結構投影到被測物體上，例如將分布較密集的均勻光柵投影到被測物體上面，由于被測物體表面凹凸不平，具有不同的深度，所以表面反射回來的光柵條紋會隨著表面不同的深度發生畸變，這個過程可以看作是由物體表面的深度信息對光柵的條紋進行調制。所以被測物體的表面信息也就被調制在反射回來的光柵之中。通過被測物體反射回來的光柵與參考光柵之間的幾何關系，分析得到每一個被測點之間的高度差和深度信息。

結(jie)構(gou)光(guang)的(de)(de)優(you)點是(shi)計算簡單，測(ce)量精度較高(gao)，對(dui)于平(ping)坦的(de)(de)、無明顯(xian)紋(wen)理和形狀變化的(de)(de)表面(mian)區域(yu)都可進行精密的(de)(de)測(ce)量。其缺點是(shi)對(dui)設(she)備和外界(jie)光(guang)線要求高(gao)，造價昂貴。目前，結(jie)構(gou)光(guang)法主要應用在條件良(liang)好(hao)的(de)(de)室內。

（2）飛行時間法（ToF）
飛行(xing)時間（Time of Flight，簡稱ToF）法，又叫做(zuo)激(ji)光雷達（LiDAR）測距法。它將脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)激(ji)光信(xin)(xin)(xin)號投射到物體表面(mian)，反射信(xin)(xin)(xin)號沿幾乎(hu)相同(tong)路徑反向(xiang)傳至接(jie)收(shou)器，利用(yong)發射和接(jie)收(shou)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)激(ji)光信(xin)(xin)(xin)號的(de)時間差可(ke)實現被測量(liang)表面(mian)每(mei)個像素的(de)距離測量(liang)。

飛行時間（ToF）深度測量法的原(yuan)理示意圖(tu)

ToF直接利用光傳播特性，不需要進行灰度圖像的獲取與分析，因此距離的獲取不受物體表面性質的影響，可快速準確地獲取景物表面完整的三維信息。缺點則是需要較復雜的光電設備，價格偏貴。

（3）三角測距法
三(san)角測(ce)(ce)(ce)距法(fa)(fa)又稱主動三(san)角法(fa)(fa)，是基于光(guang)(guang)學三(san)角原理，根(gen)據(ju)光(guang)(guang)源(yuan)、物體(ti)和(he)檢測(ce)(ce)(ce)器(qi)三(san)者之(zhi)間的幾何(he)成像關(guan)系來確定(ding)空間物體(ti)各點的三(san)維坐標。在實際測(ce)(ce)(ce)量過程中，它常(chang)用(yong)激光(guang)(guang)作為光(guang)(guang)源(yuan)，用(yong)CCD相機作為檢測(ce)(ce)(ce)器(qi)。這(zhe)種(zhong)方式主要用(yong)于工業(ye)勘(kan)探(tan)、工件表面(mian)粗糙度檢測(ce)(ce)(ce)、輪胎檢測(ce)(ce)(ce)、飛(fei)機檢測(ce)(ce)(ce)等工業(ye)、航(hang)空、軍事領(ling)域，在消費電子類(lei)產(chan)品還不(bu)曾涉及。

基于(yu)激光(guang)三(san)角法測量系統簡圖

2. 被動測距法
被動測距技術不需要人為地設置輻射源，只利用場景在自然光照下的二維圖像來重建景物的三維信息，具有適應性強、實現手段靈活、造價低的優點。但是這種方法是用低維信號來計算高維信號的，所以其使用的算法復雜。被動測距按照使用的視覺傳感器數量可分為單目視覺、雙目立體視覺和多目視覺三大類。

（1）單目視覺
單目視(shi)覺是(shi)指僅(jin)利用一臺照(zhao)相(xiang)機(ji)拍攝一張相(xiang)片來進行測量。因僅(jin)需要一臺相(xiang)機(ji)，所以(yi)該方法(fa)的(de)優點是(shi)結構簡單、相(xiang)機(ji)標定容易(yi)，同(tong)時還避免了立體視(shi)覺的(de)小視(shi)場問(wen)題和匹配困難問(wen)題。

單目視覺測量示意圖

單目視覺方法又可分聚焦法和離焦法兩類。聚焦法是指首先使相機相對于被測點處于聚焦位置，然后根據透鏡成像公式求得被測點相對于相機的距離。相機偏離聚焦位置會帶來測量誤差，因此尋求精確的聚焦位置是關鍵所在。而離焦法不要求相機相對于被測點處于聚焦位置，而是根據標定出的離焦模型計算被測點相對于相機的距離，這樣就避免了由于尋求精確的聚焦位置而降低測量效率的問題，但離焦模型的準確標定是該方法的主要難點。

（2）雙目立體視覺
雙目(mu)立(li)體(ti)視(shi)覺的(de)(de)基(ji)本原理(li)是從兩個視(shi)點觀察同一景物，以獲取(qu)在不(bu)同視(shi)角(jiao)下的(de)(de)感(gan)(gan)知圖像，然后通過(guo)三角(jiao)測量(liang)原理(li)計算圖像像素間的(de)(de)位置(zhi)偏差(cha)（視(shi)差(cha)）來獲取(qu)景物的(de)(de)三維信(xin)息。這一過(guo)程(cheng)與人類視(shi)覺感(gan)(gan)知過(guo)程(cheng)是類似的(de)(de)。

雙目(mu)立體視覺測量示意圖

在雙目立體視覺系統的硬件結構中，通常采用兩個攝像機作為視覺信號的采集設備，通過雙輸入通道圖像采集卡與計算機連接，把攝像機采集到的模擬信號經過采樣、濾波、強化、模數轉換，終向計算機提供圖像數據。一個完整的雙目立體視覺系統通常可分為數字圖像采集、相機標定、圖像預處理與特征提取、圖像校正、立體匹配、三維重建六大部分。

（3）多目立體視覺
多(duo)(duo)目(mu)立(li)(li)體視覺(jue)(jue)(jue)系(xi)統(tong)是對雙目(mu)視覺(jue)(jue)(jue)系(xi)統(tong)的(de)(de)一種拓展(zhan)。所(suo)謂多(duo)(duo)目(mu)立(li)(li)體視覺(jue)(jue)(jue)系(xi)統(tong)，就是采用多(duo)(duo)個(ge)攝(she)像(xiang)機設置于多(duo)(duo)個(ge)視點，或者由一個(ge)攝(she)像(xiang)機從多(duo)(duo)個(ge)視點觀測三維景物(wu)的(de)(de)視覺(jue)(jue)(jue)系(xi)統(tong)。

多目視覺測量示意圖

對多(duo)(duo)目(mu)(mu)系(xi)統(tong)所(suo)采集到的(de)(de)景物(wu)圖像進(jin)行感知、識(shi)別和理解的(de)(de)技術(shu)被稱為多(duo)(duo)目(mu)(mu)立(li)體(ti)視(shi)(shi)覺(jue)系(xi)統(tong)技術(shu)。在雙目(mu)(mu)立(li)體(ti)視(shi)(shi)覺(jue)中，對于給定的(de)(de)物(wu)體(ti)距(ju)離(li)，視(shi)(shi)差(cha)與基(ji)(ji)(ji)線長(chang)度成正比(bi)，基(ji)(ji)(ji)線越長(chang)，對距(ju)離(li)的(de)(de)計(ji)算(suan)越精確。但是當基(ji)(ji)(ji)線過長(chang)時，需要在相對較大(da)的(de)(de)視(shi)(shi)覺(jue)范圍內進(jin)行搜索，從而(er)增(zeng)加(jia)計(ji)算(suan)量(liang)。利用(yong)多(duo)(duo)基(ji)(ji)(ji)線立(li)體(ti)匹配是消除誤匹配、提高視(shi)(shi)差(cha)測量(liang)準(zhun)確性的(de)(de)有(you)效(xiao)方(fang)法之。基(ji)(ji)(ji)線數目(mu)(mu)的(de)(de)增(zeng)加(jia)可以通(tong)過增(zeng)加(jia)相機來實現。

來源(yuan)：新機器視覺(jue)