詳解黑科技「結構光」,第三種測量方法你未必知道

機器視覺技術的發展,不僅使其具有或模擬人眼的功能,更重要的是它能夠完成人眼所不能勝任的工作。

文/蓉蓉

在機器視覺領域,結構光是不可不說的重頭戲,可以說,沒有結構光的引導,體感錄影頭就無法「看見」世界,下面做個關於黑科技「結構光」的科普。

1何為結構光?

結構光是3D掃描的一個光學方法。它將雷射器發出的光束經過光學系統形成某種形式的光,包括點、單線、多線、單圓、同心多圓、網格、十字交叉、灰度編碼圖案、顏色編碼圖案和隨機紋理投影等投向景物,在景物上形成特定的圖案,並通過圖像處理,對圖案進行提取,然後根據三角法進行計算,從而得到景物表面的深度信息。

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圖1:使用DLP® 技術的結構光

2結構光類型

  • 光點式:逐點掃描物體,圖像獲取和處理極為費時,難以完成實時測量。

  • 光線式:只需一堆掃描線即可得到物體深度信息。

  • 光面式:二維投影到物體,測量速度最快,常用為透射光柵條紋。

結構光能夠「看見」世界的奧秘

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圖2結構光三維視覺

結構光三維視覺是基於光學的三角法測量原理。研究發現,當把這些光投到不同深度的平面上時,光的紋路會發生變化,因此我們可以通過采集這些紋理變化,計算出不同的深度。

那麼,離散光斑是如何做到深度檢測的呢,我們知道如果拿一個手電照射牆壁,站近或站遠,牆上的光斑是不同大小的,從不同角度照射牆,光斑也會呈現不同的橢圓,這就是基本原理了。

每種結構光的掃描精度,所對應的算法,以及應用場景都有所不同,因此市面上很多體感錄影頭對深度感知的精度達到了奈米級別。

3採用結構光的優勢所在

在體感錄影頭領域,大部分採用三種主流測量方法,包括雙目、結構光和TOF(Time of
flight的簡寫,直譯為飛行時間的意思。即飛行時間法3D成像,是通過給目標連續發送光脈沖,然後用傳感器接收從物體返回的光,通過探測光脈沖的飛行、往返時間來得到目標物距離,屬於雙向測距技術)。雙目需要在物體紋理信息清晰時才能使用,在無光或者微光的情況下,根本無法啟動,而使用TOF成本太高,且不利於小型化。

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結構光

結構光相對於TOF而言,算法稍微簡單一些,成本就降了下來。由於結構光非常便於安裝和維護,因此在實際三維輪廓測量中被廣泛使用。也可以說,結構光是目前體感錄影頭測量方法中的最優方案。

  • Tips:三種主流測量方法比較

  • 1.TOF(例如Kinect 2代),類似昆蟲復眼。成本高,室外可以使用。

  • 2.結構光(例如Kinect 1代),三角定位原理,成本中,室外不能用。

  • 3.雙目視覺(例如Intel Realsense R200),主動照明或被動照明,IR或可見光皆可。成本低,室外可以使用。

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測量方法

4結構光應用:

結構光視覺方法的研究最早出現於20世紀70年代。在諸多的視覺方法中,結構光三維視覺以其大量程、大視場、較高精度、光條圖像信息易於提取、實時性強及主動受控等特點,近年來在三維測量領域得到了廣泛的應用。

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應用

具體來說,結構光應用可以分為兩大方面:視覺檢測與視覺導引。視覺檢測主要是使用圖像或圖像的部分與設定的標準進行比較,以達到檢測的目的。視覺檢測已成功地應用於電子、汽車、紡織、機械加工等現代生產生活中,視覺導引主要是使用圖像處理的方法來導引機器人克服故障等及發現最佳的路徑。

  •   1.視覺檢測:又可分為高精度定量檢測(例如顯微照片的細胞分類、機械零部件的尺寸和位置測量)和不用量器的定性或半定量檢測(例如產品的外觀檢查、裝配線上的零部件識別定位、缺陷性檢測與裝配完全性檢測)。

  •   2. 視覺引導:用於指引機器人在大範圍內的操作和行動,如從料鬥送出的雜亂工件堆中揀取工件並按一定的方位放在傳輸帶或其他設備上(即料鬥揀取問題)。至於小範圍內的操作和行動,還需要借助於觸覺傳感技術。

  • 此外還有:(1)自動光學檢查(2)人臉偵測(3)無人駕駛汽車

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無人駕駛

5 結束語

結構光三維視覺在對景物或物體的三維信息提取中占有重要地位,它以其大量程、大視場、較高精度、光紋信息提取簡單、實時性強及主動受控等特點,在工業視覺檢測和機器人自主導引中得到了愈來愈廣泛的應用。同時,由於使用高能量光源照明,可以在自然環境下工作,抗雜光干擾能力強,因此具有廣闊的應用前景。

視覺系統的發展有賴於信息獲取技術與信息處理技術的同步發展。目前,各種視覺成象技術的改進、超大規模集成晶片製造技術的提高以及計算機並行處理的飛速發展都將會對三維視覺技術的發展與應用起到積極的推動作用。


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