三维测量技术在各个领域都有广泛的应用,如工业检测、医疗、地理测绘等。根据测量方式的不同,三维测量方法可以分为两大类:被动视觉测量和主动视觉测量。
1. 被动视觉测量
被动视觉测量不需要特殊的照明装置,仅利用相机拍摄被测物的图像,通过图像处理技术来获取被测物表面的三维信息。根据所使用的相机数量,被动视觉测量可以进一步细分为:
单目视觉测量
传统方法:通过移动物体来采集图像序列,基于图像聚焦程度进行分析,完成三维重建,多用于显微三维视觉测量领域。
基于运动的单目三维重建(Structure from Motion, SFM):利用序列图像帧间的运动估计出相机姿态信息,然后基于图像序列采用三角测量法来恢复场景的三维信息。
基于深度学习的单目三维重建:利用大量样本数据训练卷积神经网络,然后通过模型实现场景深度获取。
双目视觉测量
类似于人眼的立体感知,使用两个相机从不同的角度对被测物体成像。依据两幅图像中对应点的立体视差(stereodisparity),根据三角测量原理实现三维信息测量。
多目视觉测量
在双目视觉测量系统的基础上,增加一台或多台辅助相机,构成多目视觉测量系统,以减少同名像点匹配的多义性。
2. 主动视觉测量
主动视觉测量需要使用特殊的照明装置,通过投射特定的结构光或激光来获取被测物表面的三维信息。常见的主动视觉测量方法包括:
摄影测量法-双目视觉法
基于多个视觉几何级数的被动测量方法,在自然光照明情况下,从多个视角获取物体图像,然后根据获取的图像与摄像镜头角度的匹配,从而还原物体的三维结构形貌。
激光三角法
利用光学中的著名三角关系来实现物体高度的测量。目前该技术比较成熟,主要应用于工业领域,替代三坐标测量设备中的接触式扫描探头,实现物面三维形貌测量。
光切法
与激光三角法类似,具有测量精度高、算法简洁等优点,但单次测量获取信息量小且需要精密的扫描机构。
全场结构光法
使用面结构光投影代替点线结构光来实现物体形貌的全场测量,提高测量速度和效率。
莫尔条纹法
利用基准光栅与投影到三维物体表面上并受表面高度调制后的变形光栅重叠形成莫尔条纹,对莫尔条纹进行分析,从而得到三维表面轮廓的深度信息。主要应用于工业检测和人体轮廓检测。
飞行时间法(Time of Flight, ToF)
利用光束在空间传播时间进行测量,通过检测光脉冲从发射到接收之间的时间延迟,计算出被测物体表面到光脉冲发射端的距离。
相位测量法
通过建立物体表面高度和投影到物体表面条纹相位的关系而获得物体表面的三维信息。基于相位法的条纹投影三维系统结构简单,并且具有全场高精度测量特点。
结构光三维测量方法
分为两个部分:投影结构光并拍摄获得结构光图像,然后进行结构光解码得到结构光的图像二维信息;根据投影仪、相机和目标物体的相对位置把结构光的图像二维信息转化为目标物体的三维信息。
三维测量方法种类繁多,每种方法都有其独特的优势和适用场景。被动视觉测量方法适用于不需要特殊照明装置的场合,而主动视觉测量方法则适用于需要高精度和快速测量的场合。选择合适的三维测量方法需要根据具体的应用需求和技术条件来决定。