要談3D視(shi)覺應用方(fang)案，就必須先弄清楚光學(xue)測(ce)量分類(lei)以及其原理(li)。光學(xue)測(ce)量分為主動(dong)測(ce)距(ju)法(fa)和被動(dong)測(ce)距(ju)法(fa)。

主動測(ce)距(ju)(ju)方法(fa)的(de)(de)(de)基本思想是利用(yong)特(te)(te)定的(de)(de)(de)、人(ren)為控(kong)制光源和聲源對物體目標進行(xing)照(zhao)射(she)，根據物體表(biao)面的(de)(de)(de)反射(she)特(te)(te)性及光學(xue)、聲學(xue)特(te)(te)性來獲取目標的(de)(de)(de)三維信息。其特(te)(te)點是具有(you)較高(gao)的(de)(de)(de)測(ce)距(ju)(ju)精度(du)、抗干擾能(neng)力和實時(shi)性，具有(you)代表(biao)性的(de)(de)(de)主動測(ce)距(ju)(ju)方法(fa)有(you)結構光法(fa)、飛行(xing)時(shi)間法(fa)、和三角測(ce)距(ju)(ju)法(fa)。

1. 主動測距法
（1）結構光法
根據投影光(guang)(guang)束形(xing)態的不同，結(jie)構(gou)光(guang)(guang)法(fa)(fa)又可分(fen)為光(guang)(guang)點式結(jie)構(gou)光(guang)(guang)法(fa)(fa)、光(guang)(guang)條式結(jie)構(gou)光(guang)(guang)法(fa)(fa)和(he)光(guang)(guang)面式結(jie)構(gou)光(guang)(guang)法(fa)(fa)等。

目前應用中較廣，且在深度測量中具有明顯優勢的方法是面結構光測量法。面結構光測量將各種模式的面結構投影到被測物體上，例如將分布較密集的均勻光柵投影到被測物體上面，由于被測物體表面凹凸不平，具有不同的深度，所以表面反射回來的光柵條紋會隨著表面不同的深度發生畸變，這個過程可以看作是由物體表面的深度信息對光柵的條紋進行調制。所以被測物體的表面信息也就被調制在反射回來的光柵之中。通過被測物體反射回來的光柵與參考光柵之間的幾何關系，分析得到每一個被測點之間的高度差和深度信息。

結(jie)構光的(de)優點(dian)(dian)是計算簡單，測量(liang)精(jing)度較高，對(dui)于平坦的(de)、無明顯紋理(li)和形狀(zhuang)變化的(de)表面區域都(dou)可進行精(jing)密的(de)測量(liang)。其缺點(dian)(dian)是對(dui)設備(bei)和外界光線要(yao)求(qiu)高，造(zao)價昂貴(gui)。目前，結(jie)構光法主要(yao)應用(yong)在條件良好(hao)的(de)室內。

（2）飛行時間法（ToF）
飛行(xing)時(shi)(shi)間（Time of Flight，簡稱(cheng)ToF）法(fa)，又(you)叫做激(ji)光雷達（LiDAR）測距法(fa)。它將脈沖激(ji)光信(xin)號投射(she)(she)到物(wu)體表面，反(fan)射(she)(she)信(xin)號沿幾(ji)乎相同路徑反(fan)向(xiang)傳至接收(shou)器，利(li)用發射(she)(she)和接收(shou)脈沖激(ji)光信(xin)號的(de)時(shi)(shi)間差可實(shi)現(xian)被測量(liang)表面每個像素(su)的(de)距離(li)測量(liang)。

飛行時(shi)間（ToF）深度測量法的原(yuan)理示(shi)意圖

ToF直接利用光傳播特性，不需要進行灰度圖像的獲取與分析，因此距離的獲取不受物體表面性質的影響，可快速準確地獲取景物表面完整的三維信息。缺點則是需要較復雜的光電設備，價格偏貴。

（3）三角測距法
三(san)(san)角測(ce)(ce)距法又稱(cheng)主動三(san)(san)角法，是(shi)基(ji)于(yu)光(guang)學三(san)(san)角原理，根據光(guang)源(yuan)(yuan)、物體(ti)(ti)和(he)檢測(ce)(ce)器三(san)(san)者(zhe)之間(jian)的幾何成像關系來確定空間(jian)物體(ti)(ti)各點(dian)的三(san)(san)維坐(zuo)標。在實際測(ce)(ce)量過程中，它常用(yong)(yong)激光(guang)作為光(guang)源(yuan)(yuan)，用(yong)(yong)CCD相機(ji)作為檢測(ce)(ce)器。這(zhe)種(zhong)方(fang)式主要用(yong)(yong)于(yu)工業勘探、工件表面粗糙度(du)檢測(ce)(ce)、輪(lun)胎(tai)檢測(ce)(ce)、飛機(ji)檢測(ce)(ce)等(deng)工業、航空、軍事(shi)領域(yu)，在消費電子(zi)類產品還不曾(ceng)涉及。

基于激(ji)光三(san)角法測(ce)量系(xi)統簡圖

2. 被動測距法
被動測距技術不需要人為地設置輻射源，只利用場景在自然光照下的二維圖像來重建景物的三維信息，具有適應性強、實現手段靈活、造價低的優點。但是這種方法是用低維信號來計算高維信號的，所以其使用的算法復雜。被動測距按照使用的視覺傳感器數量可分為單目視覺、雙目立體視覺和多目視覺三大類。

（1）單目視覺
單目視覺是指僅(jin)利用(yong)一臺照相機(ji)拍攝(she)一張相片來進行(xing)測量。因僅(jin)需(xu)要一臺相機(ji)，所(suo)以(yi)該方法的(de)優點是結構簡(jian)單、相機(ji)標定容(rong)易，同時(shi)還避免了立(li)體(ti)視覺的(de)小視場問題和匹配(pei)困難問題。

單目視覺測量示意圖

單目視覺方法又可分聚焦法和離焦法兩類。聚焦法是指首先使相機相對于被測點處于聚焦位置，然后根據透鏡成像公式求得被測點相對于相機的距離。相機偏離聚焦位置會帶來測量誤差，因此尋求精確的聚焦位置是關鍵所在。而離焦法不要求相機相對于被測點處于聚焦位置，而是根據標定出的離焦模型計算被測點相對于相機的距離，這樣就避免了由于尋求精確的聚焦位置而降低測量效率的問題，但離焦模型的準確標定是該方法的主要難點。

（2）雙目立體視覺
雙(shuang)目立體視覺(jue)(jue)的基本原理是從(cong)兩個視點觀察同一(yi)景(jing)物，以(yi)獲取在不同視角下的感知(zhi)(zhi)圖(tu)像，然后通過三角測(ce)量原理計算圖(tu)像像素間的位置偏差（視差）來獲取景(jing)物的三維信息。這一(yi)過程(cheng)與人(ren)類視覺(jue)(jue)感知(zhi)(zhi)過程(cheng)是類似的。

雙目立體視覺測(ce)量示意圖

在雙目立體視覺系統的硬件結構中，通常采用兩個攝像機作為視覺信號的采集設備，通過雙輸入通道圖像采集卡與計算機連接，把攝像機采集到的模擬信號經過采樣、濾波、強化、模數轉換，終向計算機提供圖像數據。一個完整的雙目立體視覺系統通常可分為數字圖像采集、相機標定、圖像預處理與特征提取、圖像校正、立體匹配、三維重建六大部分。

（3）多目立體視覺
多(duo)(duo)目(mu)立體(ti)視(shi)覺系統是(shi)對雙目(mu)視(shi)覺系統的一(yi)種拓展。所謂多(duo)(duo)目(mu)立體(ti)視(shi)覺系統，就(jiu)是(shi)采用多(duo)(duo)個(ge)攝(she)(she)像機設置(zhi)于多(duo)(duo)個(ge)視(shi)點(dian)，或者由一(yi)個(ge)攝(she)(she)像機從多(duo)(duo)個(ge)視(shi)點(dian)觀測三維(wei)景物的視(shi)覺系統。

多目視覺測量示意圖

對多(duo)目系統所采集到的(de)景物圖像進行感知(zhi)、識別和理解的(de)技術被稱為(wei)多(duo)目立(li)(li)體(ti)視(shi)覺(jue)系統技術。在雙(shuang)目立(li)(li)體(ti)視(shi)覺(jue)中(zhong)，對于給(gei)定的(de)物體(ti)距離，視(shi)差與(yu)基線長(chang)(chang)度成正比，基線越長(chang)(chang)，對距離的(de)計(ji)算(suan)(suan)越精確。但是當基線過長(chang)(chang)時(shi)，需要在相對較大的(de)視(shi)覺(jue)范圍內(nei)進行搜索，從而增(zeng)加計(ji)算(suan)(suan)量。利用多(duo)基線立(li)(li)體(ti)匹配是消除誤匹配、提高視(shi)差測量準確性的(de)有效方法之。基線數目的(de)增(zeng)加可以通過增(zeng)加相機來實現(xian)。

來源(yuan)：新機器視覺