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掌握核心技術 駕馭光的運用

技術文章

三維視覺測量概述

日期:2018-04-16 來源:币游国际
1.將二維圖像感知用於三維測量

        將三維視覺用於物體測量,最早被業內認可和廣泛使用的,就是光截圖技術。該技術是將一個由線激光組成的光切麵與相機的像平麵成一個固定角度,這樣相機的像平麵上的任意一個像素點就與光平麵上的點形成唯一的對應關係,通過標定,實現物體與光平麵的交接線的三維測量。這種方法是將三維問題通過光截麵實現降維處理,其典型應用是在鐵路車輛動態檢測係統中用於輪緣截麵的精確動態尺寸測量。
        激光線掃描測量傳感器是基於光截圖技術研製而成的。當激光線掃描傳感器用於三維測量時,就需要將不同時刻的激光線測量數據拚合起來,形成一個物體的三維整體輪廓,然後,在該輪廓數據點的基礎上實現物體的測量和識別。這樣的測量係統要求被測量物體勻速平穩的通過傳感器的掃描線,將多條掃描線拚合後,在拚合的離散點雲中,運算得到被測物體的真正的物理尺寸,這樣的運算目前還沒有一個公認的統一方法,由於點雲數據量大,對運算資源有很高的要求,難以實現實時快速的運算和識別。
        使用三維測量的方式,可以提高測量的精度和實時性,克服由於物體移動和不同時刻測量帶來的變化誤差。
 
2.將激光測距技術用於三維測量

        三維激光掃描設備,廣泛用於場景和物體的三維測量和建模。該類設備采用激光測距方法,通過高速激光掃描,實現空間單點深度的測量,掃描得到的測量數據,一般都配有專用三維點雲數據管理和三維建模軟件,用於反求工程或三維測量。此類三維測量方法,由於運算時間長,人工操作步驟多且相對複雜,一般不能作為在線測量設備。
        多線激光雷達是和該方法類似的三維感知設備,由於采用了多線同步掃描,可得到實時的三維空間點雲數據,目前將激光雷達用於無人汽車是一個火熱的課題,其難點主要在於激光點雲數據量大,要實現實時的三維重建和三維識別,對算法和運算資源要求極高。TOF技術與激光感知技術相似,通過光脈衝的飛行時間的測量,達到不同深度物體的感知。微軟的Kinect以及蘋果公司新推出的 iPhoneX人臉三維解鎖技術是以上技術的代表,國內也有不少公司推出了類似的產品,這些產品集成了TOF、激光結構光和圖像感知技術,能夠快速實時的進行三維感知。對於三維測量和識別方麵,由於Kinect推出時間較長,利用Kinect進行三維感知的示例很多,最多的應用是進行人體姿態和動作的感知和捕捉,還有用於室內空間快速測量的示例等。由於這類設備對於深度的測量精度有限,陽光和其他光照對測量結果有影響,同時,有些反光性能不良的物體對測量有影響,所以,在測量領域還很難見到這類設備的具體應用。

3.多目光學被動式三維測量技術

         航空攝影測量是一個典型的基於多目光學被動式三維測量技術的應用實例。目前,無人機的大量應用,給航空攝影測量帶來了勃勃生機,雙傾斜高清相機是這類應用大量采用的圖像采集設備,結合地麵計算機集群或采用GPU等並行運算方式,通過事後圖像匹配運算,得到被攝場景的三維重建圖形。這類應用可廣泛應用在各類高空巡檢和監測以及各類測量需求,代替人工巡檢和測量。對於一個固定環境的三維檢測,還有一種方式就是將多個相機在不同的角度進行布置,通過多像機間的空間位置關係,將被測空間的三維實時進行感知和測量,這樣的係統需要單獨搭建和定製化開發。另外一種采用純光學三維重建的方法,就是針對一個特定的對象,用單相機從各個視角拍攝多幅圖像,然後,計算合成物體的三維圖像。
         以上這些既有的多目三維感知手段,由於圖像匹配需要消耗大量的運算資源,而且,在匹配過程中有些歧義很難自動消除,所以都具有事後運算且需要人工幹預和修正的特點,一般很難用於實時的三維感知和測量。
         雖然目前的深度學習在圖像識別方麵取得了巨大成功,但都是基於二維圖像的,由於二維圖像采用針孔成像原理,丟失了大量的空間信息,為了恢複和還原這些信息,就需要進行大量的模型學習,由於大量標注樣本的缺失 ,使項目開發周期延長。由於三維數據的明確和直觀,在這些信息的基礎上,可以極大降低學習量,甚至可以實現一次性無監督學習。
         以上隻是涉及單次測量結果的分析,對於隨時間變化的多次多視角的測量,或者說對於三維視頻流的分析和測量,可以在機器視覺的識別和機器視覺理解方麵,具有更大的價值。例如:對於以機器視角觀察世界來說,通過在靜態條件下的長時間三維測量,可以很輕鬆的判斷移動物體的運動方向和運動軌跡,如果結合機器本身的移動傳感,根據外界固定環境的位置變化,就可以解算出機器的位置變化,用於機器自身的定位和姿態控製等等。

         機器視覺測量技術發展一小步,工業智造發展一大步!
 
原文鏈接:http://www.china-vision.org/news/hotpointsub/30550.html


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