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节也存在很多的技术挑战，如：●三维点云的压缩和数据简化；●三维点云构型；●三维数据配准与拼合3.三维图像获取技术的应用三维图像获取技术提供了立体信息快速测量手段，解决了三维实物数字化的问题，在许多领域可以发挥重要作用：❑工业制造业三维数字化技术提供了一种快速的三维测量手段，能迅速获得物体的立体尺寸。

可用于：●工业零件快速三维测量。

对于形状复杂的物体，要测量其三维坐标数据是相当困难的。

而三维数字化技术能测量物体表面每个点的三维坐标，特别是它能实现快速的三维在线测量，这是过去的手工测量所无法做到的。

●三维缺陷和特征检测。

基于平面图像特征的检测不一定能完全满足生产的要求，引入三维特征将有助于更好地完成检测任务。

图10 工业品三维测量●仿制。

如果要对一个零件进行仿制，就必须测量它的尺寸，三维数字化技术能快速测得零件表面每个点的坐标，将数据送入数控加工设备，很快就能得到一模一样的产品。

图11 三维数字化和反求工程●快速制造系统。

这是目前国际机械行业研究热点之一，其中一个重要环节就是所谓的反求工程，即从实物到数字模型，这正是三维数字化技术研究的内容。

将三维数字化设备与快速成型机结合，可以构成快速制造系统。

●对特殊物体的测量。

对某些物品，比如特别柔软的物品，用传统的接触测量方法，可能在接触时使物体变形，而部分三维数字化设备可以进行无接触测量。

图12 柔软物品的非接触测量❑影视广告业三维数字化技术最能发挥作用的地方是在影视、广告业。

随着计算机图形图像技术的飞速发展，计算机影视特技技术越来越广泛地应用于影视、广告业，实现了过去无法想象的特技效果，已经成为高质量影视、广告制作不可缺少的手段。

要在计算机上完成三维动画，必须有三维彩色模型数据。

这只有两个渠道，一是在计算机中构造，二是设法获得实物的立体彩色模型。

对于一些简单规则的物体，可以由人工在计算机内构造，对于复杂的物体，例如人的头部，艺术品，是无法用这种手段达到目的的，这时就必须使用三维图像获取仪，它能将演员、道具、模型等的表面空间和颜色数据扫描入计算机中，构成与现实物体完全一致的三维彩色模型。

有了这些模型，才能用计算机三维动画软件对它们作进一步的特技处理，进行旋转、压缩、拉伸等各种变化，进行切割、剪裁、拼接等处理，或融入特定的场景中，实现高难度的特技效果。

甚至可以将演员、动物的立体彩色模型输入计算机内形成“虚拟演员”，赋予“它”不同的表情和动作，这些将给影视特技制作带来革命性的变化。

我们近年看到的一些大制作影片都使用了三维图像获取技术。

图13 真实对象三维建模 ❑ 仿真训练、灵境（虚拟现实）系统在仿真训练系统、VR 系统中，同样需要大量的三维彩色模型，由人工生成这些模型，费时费力，真实感差，而三维图像获取技术可提供系统所需要的大量的，与现实世界完全一致的三维彩色模型数据。

❑ 游戏娱乐业三维图像获取仪可以提供高级三维、虚拟现实游戏、娱乐系统所需要的大量真实的三维彩色模型。

❑ 文物保护。

三维图像获取技术能以不损伤物体的手段，获得文物的三维信息和表面色彩、纹理，便于长期保存、再现，这是传统的照相等手段所无法达到的。

有了这些信息，也给文物复制带来很大的便利。

英国自然历史博物馆利用三维扫描仪将文物的立体色彩模型扫描到虚拟现实系统中，建立了虚拟博物馆，令参观者犹如进入了远古时代。

图14 艺术品三维数字化❑ 艺术，雕塑。

把三维数字化技术和数控雕刻机结合，可以很方便地雕像。

只要对对象进行一次扫描，就能获得其表面的每个点的坐标数据，将数据送给数控雕刻机，很快就能雕刻出逼真的雕像，完成过去只有天才艺术家才能完成的工作。

在获得对象的彩色立体模型后，还可以在计算机内进行随心所欲的加工，变形，并直接观看其效果，满意后再送给数控雕刻机，这就能给艺术家的工作提供很大的方便。

·医学、整形、美容三维数字化技术能快速测量人体个部分，包括牙齿、面颌部、肢体等的尺寸，对美容、矫形、修复、口腔医学、假肢制作都非常有用。

在考古、刑侦等工作中，有时需要根据人或动物的骨骼来恢复形状，在这个工作中，已经开始引入计算机，这时就需要三维数字化仪将骨骼的坐标数据输入计算机。