全面详解机器视觉三维成像方法及应用.docx

机器视觉三堆成像目前应用最多的光学成像法包括：飞行时间法、激光扫描法、激光投影成像、立体视觉成像等.飞行时闾3D成像飞行时间(TOF)相机每个像素利用光飞行的时间差未获取物体的深度.目前较成熟的飞行时间面阵相机尚业化产品包括MeSaImagingAGSR-4000.PMDTechno1.ogiesCamCube3.0,微软KineCtV2等。TOF成像可用于大视野.远距离.低精度、低成本的3D图像采集，具特点是：检测速度快、视野范围较大、工作距离远、价格便宜，但精度低，易受环境光的干扰.例如Camcueb3.0可兑的深度精度(<3mm4m),每个像素对应一个3D数据.归指3D成像扫描3D成像方法可分为扫描测距、主动三角法、色攸其焦法。扫描测距利用一条准宜光束通过测拒扫描整个目标表面实现3D测I匕测At精度较高；主动三角法范于三角测砒原理，利用正直.光束、条或多条平面光束扫描目标表面完成3D成像,如图2所示.但测址红杂结构面形时容易产生遮挡,缁要通过合理规划末端路径与姿态来解决.色散共焦法通过分析反射光束的光谱，获得对应光谱光的聚集位置.如图3色放共焦法适合激量透明物体、高反与光滑表面的物体，倡地点是速度慢、效率低：用于机械手臂东施时,可实现高精度3D测盘.但不适合机械手臂实时3D引导与定位,因此应用场合有限.Statue*Scanner*3Dpointc1.oud*图2线结构光扫描三维点云生成示意图图3色敞共徐扫Jg三维成像示意图结构光投影3D成像结构光投影三维成像是目前机器3D觇觉好知的主要方武.结构光成像系统是用若干个投影仪和相机殂成，范本工作原理是：投影仪向目标物体投射特定的结构无照明图案，由相机摄取被目标调制后的图像，再通过图像处理和觇觉模型求出目标勒体的三维信息。根据结构光投影次数划分,结构光投影三维成像Ur以分成单次投影3D和多次投影3D方法.单次投影3D主要采用空间更用编码和版率复用第眄形式实现.由于单次投影曝光和成像时间短，抗振动性能好，适合运动物体的30成像，但是深度乖口,方向上的空间分疥率受到目标视场、情头倍率和相机像求等因素的影响,大视场情况下不容易提升.多次投杉3D具有较高空间分辨率，能有效地解决表面斜率阶跣变化和空洞等问区.但也有如下不足之处：1）对于连续相扬投影方法，3D田构的精度容易受到投影仪、相机的非雄性和环境变化的影响；2）抗振动性能差.不合适测盘连城运动的物体：3）实时性差：不过的在投影仪投射侦率和CCD/CMOS图像传序零采集速度的提高,多次投后方法实时3D成像的性能也在逐步改进.对于利粒衣面,结构光可以直接投射到物体会而进行视觉成像：但对于大反射率光滑衣面和镜面物体3D成像，结何光投影不能n接投射到被成像表面，需娈借助镇面假折法，儡折法时于更杂面型的测收,通常需要借助多次投影方法，因此和多次投影方法行同样的缺点.另外偏折法对曲率变化大的表面测址有一定的难度，因为条奴偏折后反射角的变化率是被测发面曲率变化率的2倍,因此对被测物体衣面的曲率变化比较敏感.很容易产生遮挡雉题。立体物觉3D成像立体觇党一般情况卜是指从不同的视点获取耐帕或多用图像重构目标物体3D结构或深度信息，如图4所示.图4立体视觉三堆成像示意图立体觇觉可分为被动成像和主动成像两种形式.帙动视觉成像依赖相机接收到的由目标场景产生的光辐射信息，常用于特定条件下的3D成像场合，如室内等光线变动不大的场景，或几何规则明显，控制点比较容易确定的工业零部件等.主动立体现觉是利用光网制（如编码结构光'激光调制等）照射目标场景,对目标场景我面的点进行编码标记，然后对获取的场景图像进行解码，以便可旅施求得图像之间的匹配点,再跑过三角法求W场景的3D结构.主动立体视觉的优点是抗干扰性能强、对环境兼容性强（如通过带通注波消除环境光干扰），3D测属精度、市复性和可藕性高：缺点是对于结构更杂的场景容易产生遮挡等问题。三堆成像工业应用基于结构光测量技术和3D物体识别技术开发的机器人3D视觉引导系统，可对较大测量深度范围内散乱堆放的零件进行全自由的定位和拾取,相比传统的2D视觉定位方式只能对固定深度零件进行识别且只能获取零件的部分自由度的位置信息，具有更高的应用柔性和更大的检测范围.可为机床上下料、零件分拣.码垛堆叠等工业问题提供有效的自动化解决方案.IcHtM机施臾觉3D引导系统框架3D工建和织别技术3D扫描仪可获准确并且快速地获取场景的点云图像，通过3。识别算法，可实现在对点云图中的多种目标物体进行识别和位姿估计，3D重建和识别效率多科材腐识别效果能试基于重建算法和识别算法，可对不同材旗的零件进行检定的重建和识别，即便是反光比较严重的铝材料及黑色零件都能狭得较好的重建和识别效果,可适用于广泛的匚业场景.黑色亚克力零件狭得零件伯恩后，要成功拾取零件还需要完成以下几件也自主开发的机器人，丸迹规划算法，可轻松完成上述工作，保证机器人拾取零件过程柩定可快速切换拾取对H只需要四个筒的的操作即可实现拾取对望的快速切换无需进行复杂的工装、产线的调整.性能比较1.类似于E行时间相机、光场相机这类的相机,可以归类为单相机3D成像不围，它们体枳小，实时性好，适合随动成像般在手系统执行3D测献、定位和实时引导-但是，飞行时间相机、光场相机短期内还潍以用来构建普通的随动成像眼在手系统，主要原因如I下:1 .飞行时间相机空间分辨率和3D精度低，不适合高精度测双、定位与引导。2 .对于光场相机，目前商业化的工业级产品只有为数不多的几家，1.Jf三1.Raytrix,虽然性能较好,精度适中,但价格贵，使用成本太高.3 .结构光投影3D系统.精度和成本适中，有较好的应用市场前景.它也若干个相机-投影仪组成的，如果把投影仪当作一个逆向的相机，可以认为该系统是一个双目或多日3D三向测量系统.4 .被动立体视觉3D成像目前在工业领域也袍到较好应用,但应用场合有限.因为单日立体视觉实现彳j难度，双日和多日立体视觉要求目标物体纹理或几何特征清晰。5 .结构光投影3D、双目立体视觉3D都存在下列缺点：体枳较大，容易产生遮档.针对这个问题虽然可以增加投影仪或相机覆前被遮挡的区域，但会增加成像系统的体枳，娥小应用的或活性.总结虽然光学3D视觉成像测!方法种类繁多,但旎够安装在工业机揖人士,组成一种合适的随动成像眼在手系统，对位置变动的目标执行3D成像测收、引生机器人手臂准确定位和实施精准操作的方法有限。从工业应用的角度来说，我们更关心的是3D觇觉传塔器的精度、速健、体积与重限.鉴于机器人末端能鲂承受的端拨荷彳I限.允许传感器占用的空间有限，住粥器在满足成像精度的条件下，近川越在体枳越小也就越实用。刻于随动成像黑在手系统最佳3D成像方法是采用被动单目（单相机）3D成像方法,这样不仅体积小、¢砥轻，也解决了双H和名目多视图遮揩难题t