三维图像获取

从平面到立体——三维图像获取技术及其应用

视觉与图像系统事业部金刚

1.二维图像与三维图像

我们生活在一个三维的立体世界中，而目前广泛应用、为人们熟知的“图像”实际是真实的三维世界在二维平面上的映射，这其中包含了大量的信息损失。随着现代计算机技术的飞速发展，计算机图形图象处理、辅助设计、多媒体技术越来越广泛深入地应用于工业、国防、医学、影视业、广告等各个领域，对“三维图像”的需求越来越大，人们经常需要能迅速地获得物体表面的立体信息和色彩信息，将其转变成计算机能直接处理的数据。工业界要求能快速地测量物体表面的三维坐标；影视界需要将演员道具等的立体色彩模型输入计算机，才能进行三维动画特技处理；游戏娱乐业需要在虚拟场景中放置逼真的三维彩色模型；整形外科专家需要知道人体骨骼、肢体的尺寸，以便于手术；科研工作者需要快速获得大量的三维数据，用于三维彩色图象信息处理、三维物体识别的研究……这些需求，都需要我们将传统的二维图像技术拓展到三维图像获取与处理。

三维图像，又被称为立体图像、深度图像、三维数字化模型，它与传统的平面图像有很大的区别。传统的平面图像可以看作是二维空间中的亮度分布，它是由真实三维世界在二维图像平面上投影而得到的。而三维图像，则包含了真实对象表面三维坐标和灰度（色彩）的完整信息，从中可以得到物体表面每个采样点的三维空间坐标。

图1 平面图像

图2 三维图像

2.常用的三维图像获取技术

获取真实对象的三维图像关键在于获取物体表面采样点的立体坐标，尤其是深度数据，相对于传统的镜头＋相机装置，需要一些特殊的技术。实现这类功能的设备，有三维扫描仪（3D Scanner）、三维数字化仪（3D Digitizer）、深度传感器（Range Sensor）、自动抄数机、三维测量仪等多种名称。

三维图像获取技术多种多样，从应用目的来说，有单点三维坐标测量（测距）、面形测量（点云－3D 数字模型－CAD模型）、外表面完全测量（点云－3D 数字模型－CAD模型）、内部结构测

量、大视场三维测量等。从技术实现模式上来说，又可以分为主动式、被动式，也可分为接触式、非接触式。

图3 常用三维图像获取方法分类

上述都是获取物体外表面三维图像的技术，还有一类是能获得物体内部三维结构的技术，如CT、层切分析等。

目前，在三维图像获取领域，基于计算机视觉的方法是主流技术，主要包括结构光（编码光）方法和立体视觉两大类。

(1)基于计算机视觉的方法

立体视觉法

立体视觉法基于计算机视觉最基本的相机模型，通过不同位置的相机对同一目标拍摄的两幅或多幅图像，组成立体象对。在事先标定好相机内外参数的前提下，根据三角测量原理，利用对应点的视差来计算视野范围内的立体信息。

空间点

图像点

图4 立体视觉法原理

立体视觉直接模拟人类双眼处理景物的方式，能一次获得视野范围内的深度信息，受物体表面反射特性影响小，不接触物体，不需要附加光源，成本较低，且对于使用环境要求较宽松，测量范围宽，既可获取小范围的三维信息，也可用于大范围的测量，可靠简便，在许多领域均极具应用价值，如机器人视觉感知系统、物体表面三维坐标测量、系统的位姿检测与控制、导航、航测、三维测量学等。除双目立体视觉外，发展了三目甚至多目立体视觉系统。

这种方法存在遮挡等问题，最困难的是当物体表面图案单一时，很难找到足够致密的对应点。 ● 结构光和编码光方法

结构光测距是一种即利用图象又利用可控光源的测距技术。结构光从光源的几何形状上说有点状、条状、网状等许多种，可以采用激光或白光。其基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取景物中的几何信息。例如，利用光平面照射在物体表面产生光条纹，在拍摄的图象中检测出这些条纹，它们的形态和间断性，反映了物体表面的形状信息，在经过装置定标后，可以计算出被光照射的点的三维坐标。配合机械扫描运动，可以获得物体表面各点的坐标。

(a) (b) 图5 结构光示意 编码光方法所用的计算模型与结构光类似，但通过时间、空间、彩色编码的光源帮助来确定物体表面的空间位置。

图6 编码光方法 这种方法的突出优点是可以减少计算的复杂性，扫描速度快，量测精度高，特别适用于室内环境下，物体表面反射情况比较好的场合。这是目前最流行三维图像获取技术，有不少商品化的产品问世。

图7 基于计算机视觉技术的三维图像获取产品 该方法的缺点是受物体表面反射特性影响较大，还可能受遮挡的影响。为解决遮挡的问题，发展了双相机结构光系统、多方位扫描等方法。

(2) 其它方法

● 接触法

这种方法用可以精确定位的探针去逐点接触物体表面，测得被接触点的空间坐标。探针在物体表面扫描一遍，可以得到物体表面各点的坐标。传统的三坐标测量机就是基于这一原理。这种方法原理简单，量测精度高，但装置复杂，量测速度慢。

FARO 、Immersion 等公司将探针的伺服机构改为可以精确定位的随动式机械臂，由人牵引着装有探头的机械臂在物体表面滑动扫描，其基本原理虽然不变，但装置简化，速度和灵活性得到很大的提高，成为很有吸引力的新产品。

基于这一原理的设备一般难于获得物体表面的颜色。

将结构光模组安装在机械臂上，可实现多方位扫描测量，解决物体表面形状复杂带来的遮挡问题，这种模式是当前在技术原理上最为成功和实用的三维图像获取方法。

● 雷达法

又称为飞点法（Flying Spot ）或飞行时间法（Time of Flight ，简称TOF ）。这类方法由测距器主动向被测物体表面发射探测信号，信号遇到物体表面反射回来，测量信号的飞行时间或相位变化，可以推算出信号飞行距离，从而得到物体表面的空间位置信息。一次测量一个点，通过扫描运动活动获得物体面形的完整数据。

这种方法不涉及图象处理问题，且受遮挡的影响小，但对装置中的脉冲探测和时间测量设备精度要求高，扫描速度慢。且较难获得物体表面颜色和纹理信息。

● 共焦法

根据高斯薄透镜公式，已知焦距和像距，可以计算出物体到透镜的距离，移动透镜，通过判断聚焦情况，可以得到曲面表面形貌的信息。

作为共焦法的改进，近年发展了光谱共焦式深度传感器。探头由光源和特殊的光学透镜组构成。透镜组将光源发出的多色平行光（白光）进行光谱分光，形成一系列波长不同的单色光，同时再将其同轴聚焦。由此在有效量程范围内形成了一个焦点组：每一个单色光波长的焦点都对应一个轴向位置。在被测物体表面上聚焦的单色光又被反射回到传感器的控制器，利用控制器内的光谱分析仪确定该反射光的波长，从而确定被测表面的相对高程位置。这种方法理论上对深度测量的精度可以达到的光波长量级。

(3) 其它技术环节

要获得可用的三维图像，除了前述的三维信息测量外，还涉及到一些其它的技术环节，

这些环图8 三坐标测量仪 图9 机械臂式三维坐标测量仪