3D成像機器視覺基礎知識（五）3D成像方法

正文

人們(men) 最熟悉的3D成像莫過於(yu) 3D電影和全息投影了。但是這有時是利用人眼的錯覺，而非真正的3D成像。是“假三維”。與(yu) 之相對的

則有包含具體(ti) 的方向和距離等信息的3D成像技術。

根據成像原理的不同，主要有以下四類：

1. 雙目視覺（stereo vision）

2. 激光三角法（laser triangulation）

3. 結構光3D成像（structured light 3D imaging）

4. 飛行時間法ToF（time of light）

在進行進一步的介紹之前先對深度圖和點雲(yun) 做簡單介紹，其中深度圖是指將圖像采集器到場景中各點的距離（深度）值作為(wei) 像素值的圖

像。點雲(yun) 是目標表麵特性的海量點集合；根據激光原理得到的點雲(yun) 包括三維坐標和激光反射強度、根據攝影測量原理得到的點雲(yun) 包括三

維坐標和顏色信息。點雲(yun) 和深度圖在一定條件下是可以相互轉化的。

雙目視覺法：

顧名思義(yi) ，采用兩(liang) 個(ge) 相機模仿人類的兩(liang) 隻眼睛來獲得深度信息，從(cong) 而處理出3D圖像。人類的兩(liang) 隻眼睛獲得的圖像是存在差別，這個(ge) 差

別被稱為(wei) 視差。通過視差可以感知深度信息。

 

如上圖，雙目視覺按照三角法的原理獲取三維信息。兩(liang) 個(ge) 相機和被測物體(ti) 之間構成一個(ge) 三角形，已知兩(liang) 個(ge) 相機的相對位置和被測物體(ti) 在

左右兩(liang) 個(ge) 相機中的像素坐標。通過計算可以得出物體(ti) 的三維尺寸和特征點的三維坐標。

這一方法中兩(liang) 個(ge) 相機之間的距離限製了深度信息。

激光三角法：

激光三角法有單點激光測距和線激光測距。兩(liang) 者維度不同但原理相同，以單點激光測距為(wei) 例進行介紹。

 

激光頭Laser和攝像頭CAMERA之間距離S，攝像頭和激光頭的連線為(wei) 基準線，攝像頭焦距f，激光頭射線方向和基準線夾角為(wei) β。通過

三角幾何知識，通過f和β可以求出距離和坐標信息。

結構光3D成像法：

結構光，帶有一定結構的光源，這種結構是已知的。結構光的編碼方法有空間編碼和時序編碼兩(liang) 種方式。

與(yu) 激光三角法一樣，結構光3D成像也是基於(yu) 光學的三角測量原理。光學投射器將一定模式的結構光透射於(yu) 物體(ti) 表麵，在表麵上形成由

被測物體(ti) 表麵形狀所調製的光條三維圖像。該三維圖像由處於(yu) 另一位置的攝像機探測，從(cong) 而獲得光條二維畸變圖像。光條的畸變程度取

決(jue) 於(yu) 光學投射器與(yu) 攝像機之間的相對位置和物體(ti) 表麵形狀輪廓（高度）。直觀上，沿著光條顯示出的位移（或者偏移）與(yu) 物體(ti) 表麵高度

成比例，扭結表示了平麵的變化，不連續顯示了表麵的物理間隙。當光學投射器與(yu) 攝像機之間的相對位置一定時，由畸變的二維光條圖

像坐標便可重現物體(ti) 表麵三維形狀輪廓。由光學投射器、攝像機、計算機係統即構成了結構光三維視覺係統。

 

結構光本身有點結構光，線結構光，多線結構光等模式。除了這類光學三角法之外還有通過相位測量間接得出3D信息的相位法。

飛行時間法：

飛行時間是從(cong) Time of Flight直譯過來的，簡稱TOF。其基本原理是通過連續發射光脈衝(chong) （一般為(wei) 不可見光）到被觀測物體(ti) 上，然後用

傳(chuan) 感器接收從(cong) 物體(ti) 返回的光，通過探測光脈衝(chong) 的飛行（往返）時間來得到目標物距離。

TOF法根據調製方法的不同，一般可以分為(wei) 兩(liang) 種：脈衝(chong) 調製（Pulsed modulation）和連續波調製（Continuous Wave 

Modulation）。

除了以上介紹的方法之外還有光場成像法等其他方法，這裏不作介紹。