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三维立体视觉之三维恢复方法

导读: 三维立体视觉与人眼立体视觉相比,具有不可替代的优点,主要体现在精度高、扩展能力强大,连续工作时间长、不易损坏、保密性好、没有培训成本、结果易于保存和复制等。

  三维立体视觉与人眼立体视觉相比,具有不可替代的优点,主要体现在精度高、扩展能力强大,连续工作时间长、不易损坏、保密性好、没有培训成本、结果易于保存和复制等。因此三维立体视觉技术已经广泛应用于三维环境感知与建模、机器人导航、双目物体跟踪与检测以及图像分割等领域。

  三维立体视觉就是研究由2D图像恢复场景目标即3D信息的一门学科。目前用于三维恢复的方法主要有:结构光法、立体视觉法、光流法、亮度立体法、阴影法和纹理法。

  经典的结构光三维视觉方法是将基准光栅条纹结构光投影到物体表面,条纹随着物体表面形状的变化而发生畸变,摄像机摄取物体表面图像,然后采用计算机图像技术,从被物体表面形状所调制了的畸变条纹模式中,提取出物体的三维信息。工业应用中很少采用基准光栅条纹结构光,而是采用一种简化的激光扫描照射系统。这种方法的计算精度高,但价格昂贵、设备庞大,限制了其应用范围。

  立体视觉方法,属于多目或者双目视觉,采用两个或者多个摄像机从不同的位置拍摄图像,通过三角测距原理得到物体的三维尺寸。其缺点是设备安装复杂,需要在多幅图像之间进行对应点的匹配。

  光流法:当目标在相机前运动或相机在一个固定的环境中运动时,都能获得对应的图像变化,这些变化可用来恢复(获得)相机和目标间的相对运动以及场景中多个目标间的相互关系。在具体技术上就是通过求解光流方程来求取表面朝向。此方法有一定的限制,要求图像要有足够的采样密度,同时在图像平面中每一点上的灰度变化应该完全是由图像中模式的运动引起的,不应该包括反射性质变化带来的影响。其缺点是需要控制照明或物体运动且条件要求苛刻,适用范围窄。

  亮度立体法:属单目视觉,基本原理是在同一光照条件下,物体不同的表面朝向对应图像中的不同灰度即反射图方程。由于反射图方程属于病态方程,所以通过变换光源得到不同光照条件下的图像,利用反射图方程组来求解表面朝向,进而计算三维尺寸。应用的最理想情况是:成像光源和摄像机为无穷远,物体表面为均匀漫反射表面,则可以得到理想反射图方程;物体表面为光滑表面,并且已知物体表面的特征点高度。

  阴影法:属单目视觉,成像的基本原理同亮度立体法,但不需要控制光源,是一种简单可行的方法。此方法需要采用附加的约束如惟一性、连续性(表面、形状)、兼容性(对称、外极线)等来求解反射图方程,进而求得三维尺寸。运用的理想情况同亮度立体法。

  纹理法:属单目视觉,利用物体表面上纹理的变化可以去确定表面取向并进而恢复表面的形状。在获取图像的透射投影过程中,原始的纹理结构有可能发生变化,这种变化随纹理所在表面朝向的不同而不同,因而带有物体表面取向的信息。要求纹理元清晰、均匀、有固定的形状。

  随着研究机构以及相关企业的研究人员进一步深入研究,三维立体视觉这项高新技术的科技潜力必将被极大的发挥出来,其应用领域也必将越来越广泛。

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