三維視覺測量技術知識科普

三維視覺測量技術按照測量過程中是否投射光源，獲取被測物體三維形貌信息的方法可以分為兩大類: 被動視覺測量和主動視覺測量。

一、被動視覺測量

被動視覺測量不需要特殊的照明投射裝置，僅利用相機拍攝被測物的圖像，建立被測物與相機之間的相對位置關系，從而獲取被測物表面的三維信息。被動視覺測量所需硬件相對簡單。根據所采用相機的數目，被動視覺測量可分為:單目視覺測量、雙目視覺測量和多目視覺測量等。

①單目視覺測量。單目三維視覺測量方法主要分為傳統方法和基于深度學習的方法兩大類。傳統方法有從聚焦恢復深度( shape from focus，SFF)、從運動恢復結構( structure from motion，SFM) 和即時定位與地圖重建 ( simultaneous localization and mapping，SLAM) 等。SFF 通過移動物體來采集圖像序列，基于圖像聚焦程度進行分析，完成三維重建，多用于顯微三維視覺測量領域。SFM 和 SLAM 方法原理相似，利用序列圖像幀間的運動估計出相機姿態信息，然后基于圖像序列采用三角測量法來恢復場景的三維信息?；谏疃葘W習的單目三維重建是近年新提出的方法。該方法利用大量樣本數據訓練卷積神經網絡，然后通過網絡模型實現場景深度獲取。

②雙目視覺測量。與人眼的立體感知類似，雙目立體視覺用兩個相機從不同的角度對被測物體成像。依據兩幅圖像中對應點的立體視差( stereo disparity) ，根據三角測量原理實現三維信息測量。雙目立體視覺直觀、傳感器結構簡單且測量精度較高，主要挑戰在于圖像中同名像點的確定。

圖為 雙目立體視覺模型

③多目視覺測量。為減少雙目立體視覺測量中同名像點匹配的多義性，在雙目立體視覺測量系統的基礎上，增加一臺或多臺輔助相機，構成多目視覺測量系統。通過多個相機間需滿足的成像幾何約束可減少誤匹配現象，且可以通過光束平差提高測量精度，但計算量也會相應增加，降低測量速度和效率。

圖 多目視覺測量模型

二、主動視覺測量

主動視覺測量與被動視覺測量最大的不同在于需要向被測物體投射光源( 點、條紋、圖案和散斑等) ，相機拍攝包含光源的反射光或透射光的被測物體表面圖像，利用成像幾何關系所建立的數學模型解算出被測物體三維結構信息。

主動視覺測量利用結構光在物體表面形成明顯的特征，對于光滑、紋理缺乏、無明顯灰度或形狀變化的表面區域，可以避免同名點不易匹配的難題，改善三維信息的獲取精度。根據投射光源的模式，主動視覺測量可以分為點掃描式、( 多) 線掃描式、編碼光式以及飛行時間法( 脈沖測距法) 等。

①點掃描式。點掃描式測量時，激光器發出的光束在被測物體表面形成一個光點，經被測物體表面漫反射后入射到 CCD ( charge coupled device) 像面( 線) 。利用圖像檢測技術，獲得成像光斑的中心坐標，通過已標定數值的數學模型計算得到被測物體表面的三維坐標。

為了實現對被測物體的完整三維測量，需要采用不同的掃描方式，讓光點覆蓋被測物表面。典型的有: 激光器二維移動掃描、激光器旋轉掃描、平面鏡同步掃描 、旋轉棱鏡掃描(以及基于 AOD( acousto optic deflector) 的無機械運動部件掃描(等。

圖為 平面鏡偏轉式三維形貌測量原理圖

②線掃描式。線掃描方式利用光源擴束后形 成的光條掃描被測物體表面，通過對獲取的圖像進行分析，結合光條在被測物體表面的位置得到物體三維信息。其原理與點掃描式相同，用光條代替了光點，效率得到提高; 且單一光條特征，不存在同名點匹配的問題。根據應用方式可分為雙軸激光掃描法、遠心掃描法和光條掃描法等。

在單線結構光的基礎上增加投射光條的數量，形成了多線結構光掃描。相比較于單線結構光法系統的測量速度更高。一般用雙相機約束或深度約束來消除多線之間的誤匹配問題。

圖 多線結構光法

③面結構光式。面結構光三維測量需要將二維結構光圖案( 光條、光柵或其他光圖樣) 投射到被測物體表面上，通過對采集編碼圖樣分析計算得到物體的表面三維信息。每次可以獲取被測對象上一個區域的三維信息，所以測量效率在所有結構光方法中最高。系統中無運動部件，編碼光與接收器的相對位置不變。

面結構光的編碼方式可以分為空間編碼和時間編碼?？臻g編碼只有一種投射模式，常見的有: 彩色條紋和散斑等。時間編碼包含兩種及以上的投射模式，分時投射，常見的有: 二進制編碼、格雷碼和正弦條紋等。

圖 面結構光法

三、主被動結合的視覺測量法

主被動結合視覺測量是在被動視覺測量系統中增加投射器，投射特定光源模式到被測物體表面，借助于投射的光源模式，可以解決被動雙目視覺中的匹配難題，從而提高匹配精度及測量精度。投射器提供了便于測量的特征，其與相機之間的關系不要求已知。

審核編輯：湯梓紅