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    3D成像方法

    2021-08-15 11:26:27  來源：上海鼎徵儀器儀表設備有限公司
    3D成像方法匯總介紹：
    這里要介紹的是真正的3D成像，得到物體三維的圖形，是立體的圖像。而不是利用人眼視覺差異的特點，錯誤感知到的假三維信息。     
    原理上分類：主要常用有：
    1、雙目立體視覺法(Stereo Vision)
    2、激光三角法(Laser triangulation)
    3、結構光3D成像(Structured light 3D imaging)
    4、飛行時間法ToF（Time of flight）
    5、光場成像法（Light field of imaging）
    6、全息投影技術(Front-projected holographic display)
    7、補充：戳穿假全息
    上面原理之間可能會有交叉。
    而激光雷達不是3D成像原理上的一個分類，而是一種具體方法。
    激光雷達的3D成像原理有：三角測距法、飛行時間ToF法等。
    激光雷達按照實現(xiàn)方式分類有：機械式、混合固態(tài)、基于光學相控陣固態(tài) 、基于MEMS式混合固態(tài)、基于FLASH式固態(tài)等。
     
    1、雙目立體視覺法：就和人的兩個眼睛一樣，各種兩個攝像頭的手機大都會用這種方法來獲得深度信息，從而得到三維圖像。但深度受到兩個攝像頭之間距離的限制。
    視差圖：雙目立體視覺融合兩只眼睛獲得的圖像并觀察它們之間的差別，使我們可以獲得明顯的深度感，建立特征間的對應關系，將同一空間物理點在不同圖像中的映像點對應起來，這個差別，我們稱作視差(Disparity)圖像。對于視差的理解可以自己體驗一下：將手指頭放在離眼睛不同距離的位置，并輪換睜、閉左右眼，可以發(fā)現(xiàn)手指在不同距離的位置，視覺差也不同，且距離越近，視差越大。
    提到視差圖，就有深度圖，深度圖像也叫距離影像，是指將從圖像采集器到場景中各點的距離（深度）值作為像素值的圖像。
    深度圖與點云的區(qū)別，點云：當一束激光照射到物體表面時，所反射的激光會攜帶方位、距離等信息。若將激光束按照某種軌跡進行掃描，便會邊掃描邊記錄到反射的激光點信息，由于掃描極為精細，則能夠得到大量的激光點，因而就可形成激光點云。深度圖像經(jīng)過坐標轉換可以計算為點云數(shù)據(jù)；有規(guī)則及必要信息的點云數(shù)據(jù)可以反算為深度圖像。兩者在一定條件下是可以相互轉化的。
    雙目立體視覺由三角法原理進行三維信息的獲取，即由兩個攝像機的圖像平面和被測物體之間構成一個三角形。已知兩個攝像機之間的位置關系和物體在左右圖像中的坐標，便可以獲得兩攝像機公共視場內物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標。所以，雙目視覺系統(tǒng)一般由兩個攝像機構成。
     
    深度和視差成反比

    2、激光三角法

    單點激光測距原理：（同屬于下面結構光原理）單點激光測距原理圖如下圖。

    激光頭Laser與攝像頭在同一水平線（稱為基準線）上，其距離為s，攝像頭焦距為f，激光頭與基準線的夾角為β。激光頭Laser與攝像頭在同一水平線（稱為基準線）上，其距離為s，攝像頭焦距為f，激光頭與基準線的夾角為β。假設目標物體Object在點狀激光器的照射下，反射回攝像頭成像平面的位置為點P。假設目標物體Object在點狀激光器的照射下，反射回攝像頭成像平面的位置為點P。 
    由幾何知識可作相似三角形，激光頭、攝像頭與目標物體組成的三角形，相似于攝像頭、成像點P與輔助點P′。P與輔助點P′。 
    設 PP′=x，q、d如圖所示，則由相似三角形可得：PP′=x，q、d如圖所示，則 由相似三角形可得：f/x=q/s  ==>  q=fs/x    
     X可分為兩部分計算：X=x1+x2= f/tanβ + pixelSize* position
    其中pixelSize是像素單位大小， position是成像的像素坐標相對于成像中心的位置。
    *后，可求得距離d:   d=q/sinβ
    線狀激光三角測距原理：（同屬于下面結構光原理）
    將激光光條的中心點P1、成像點P1′、攝像頭、激光頭作為基準面，中心點P1就符合單點結構光測距。對于任一點（該點不在基準面上），也可由三角測距得出。將激光光條的中心點P1、成像點P1′、攝像頭、激光頭作為基準面，中心點P1就符合單點結構光測距。對于任一點（該點不在基準面上），也可由三角測距得出。

    如上圖所示，將成像平面鏡像到另一側。其中P1′，P2′和分別是P1和P2的成像位置，對于點P2、成像點P2′、攝像頭、激光頭所形成的平面，與基準面存在夾角θ，也符合單點結構光測距。此時的焦距為f′，x的幾何意義同單點激光測距原理。如上圖所示，將成像平面鏡像到另一側。其中P1′，P2′和分別是P1和P2的成像位置，對于點P2、成像點P2′、攝像頭、激光頭所形成的平面，與基準面存在夾角θ，也符合單點結構光測距。此時的焦距為f′，x的幾何意義同單點激光測距原理。
       d'/baseline=f'/xd′是P2與baseline所成平面上P2到底邊的高（類比于單點激光測距原理中的q）。同樣x可分為兩部分計算d′是P2與baseline所成平面上P2到底邊的高（類比于單點激光測距原理中的q）。同樣x可分為兩部分計算：
      x=f'/tanβ + pixelSize* position上述中的平面與基準面的夾角為θ上述中的平面與基準面的夾角為θ：
         f'/f=cosθ        tanθ=(|P2'.y-P1'.y|)/f可求得f′：可求得f′：f'=f/cos(arctan((P2'.y-P1'.y)/f))   
    3、結構光3D成像法

    OPPO Find X和IphoneX等手機的前置攝像頭紛紛搭載。
    單從光源本身理解什么是結構光：就是帶有一定結構的，而且我們自己是知道光源的這種結構的。
    結構光三維視覺是基于光學三角測量原理。光學投射器將一定模式的結構光透射于物體表面，在表面上形成由被測物體表面形狀所調制的光條三維圖像。該三維圖像由處于另一位置的攝像機探測，從而獲得光條二維畸變圖像。光條的畸變程度取決于光學投射器與攝像機之間的相對位置和物體表面形狀輪廓（高度）。直觀上，沿著光條顯示出的位移（或者偏移）與物體表面高度成比例，扭結表示了平面的變化，不連續(xù)顯示了表面的物理間隙。當光學投射器與攝像機之間的相對位置一定時，由畸變的二維光條圖像坐標便可重現(xiàn)物體表面三維形狀輪廓。由光學投射器、攝像機、計算機系統(tǒng)即構成了結構光三維視覺系統(tǒng)。

    根據(jù)光學投射器所投射的光束模式的不同，結構光模式又可分為點結構光模式、線結構光模式、多線結構光模式、面結構光模式、相位法等。

    點結構光模式：（和上面介紹的三角測距一樣）如圖所示，激光器發(fā)出的光束投射到物體上產(chǎn)生一個光點，光點經(jīng)攝像機的鏡頭成像在攝像機的像平面上，形成一個二維點。攝像機的視線和光束在空間中于光點處相交，形成一種簡單的三角幾何關系。通過一定的標定可以得到這種三角幾何約束關系，并由其可以唯一確定光點在某一已知世界坐標系中的空間位置。

    線結構光模式：（和上面介紹的三角測距一樣）線結構光模式是向物體投射一條光束，光條由于物體表面深度的變化以及可能的間隙而受到調制，表現(xiàn)在圖像中則是光條發(fā)生了畸變和不連續(xù)，畸變的程度與深度成正比，不連續(xù)則顯示出了物體表面的物理間隙。任務就是從畸變的光條圖像信息中獲取物體表面的三維信息；實際上，線結構光模式也可以說是點結構模式的擴展。過相機光心的視線束在空間中與激光平面相交產(chǎn)生很多交點，在物體表面處的交點則是光條上眾多的光點，因而便形成了點結構光模式中類似的眾多的三角幾何約束。很明顯，與點結構光模式相比較，線結構光模式的測量信息量大大增加，而其實現(xiàn)的復雜性并沒有增加，因而得到廣泛應用。

    多線結構光模式：多線結構光模式是光帶模式的擴展。如圖，由光學投射器向物體表面投射了多條光條，其目的的一方面是為了在一幅圖像中可以處理多條光條，提高圖像的處理效率，另一方面是為了實現(xiàn)物體表面的多光條覆蓋從而增加測量的信息量，以獲得物體表面更大范圍的深度信息。也就是所謂的“光柵結構模式”，多光條可以采用投影儀投影產(chǎn)生一光柵圖樣，也可以利用激光掃描器來實現(xiàn)。

    面結構光模式：當采用面結構光時，將二維的結構光圖案投射到物體表面上，這樣不需要進行掃描就可以實現(xiàn)三維輪廓測量，測量速度很快，光面結構光中*常用的方法是投影光柵條紋到物體表面。當投影的結構光圖案比較復雜時，為了確定物體表面點與其圖像像素點之間的對應關系，需要對投射的圖案進行編碼，因而這類方法又稱為編碼結構光測量法。圖案編碼分為空域編碼和時域編碼。空域編碼方法只需要一次投射就可獲得物體深度圖，適合于動態(tài)測量，但是目前分辨率和處理速度還無法滿足實時三維測量要求，而且對譯碼要求很高。時域編碼需要將多個不同的投射編碼圖案組合起來解碼，這樣比較容易實現(xiàn)解碼。主要的編碼方法有二進制編碼、二維網(wǎng)格圖案編碼、隨機圖案編碼、彩色編碼、灰度編碼、鄰域編碼、相位編碼以及混合編碼。

    相位法：近年來基于相位的光柵投影三維輪廓測童技術有了很大的發(fā)展，將光柵圖案投射到被測物表面，受物體高度的調制，光柵條紋發(fā)生形變，這種變形條紋可解釋為相位和振幅均被調制的空間載波信號。采集變形條紋并且對其進行解調可以得到包含高度信息的相位變化，*后根據(jù)三角法原理計算出高度，這類方法又稱為相位法�；谙辔粶y量的三維輪廓測量技術的理論依據(jù)也是光學三角法，但與光學三角法的輪廓術有所不同，它不直接去尋找和判斷由于物體高度變動后的像點，而是通過相位測量間接地實現(xiàn)，由于相位信息的參與，使得這類方法與單純光學三角法有很大區(qū)別。

     
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