技术原理

从技术原理上来看，3D视觉技术主要包括主动测距法和被动测距法。主动测距方法的基本思想是利用特定的、人为控制光源对物体目标进行照射，根据物体表面的反射特性及光学、声学特性来获取目标的三维信息。其特点是具有较高的测距精度、抗干扰能力和实时性，具有代表性的主动测距方法有结构光法、飞行时间法、和三角测距法。被动测距技术不需要人为地设置辐射源，只利用场景在自然光照下的二维图像来重建景物的三维信息，具有适应性强、实现手段灵活、成本低的优点。

图 3D视觉技术分类及特点

1、双目视觉法

双目立体视觉的基本原理是从两个视点观察同一景物，以获取在不同视角下的感知图像，然后通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差（视差）来获取景物的三维信息。这一过程与人类视觉感知过程是类似的。

在双目立体视觉系统中，通常采用两个摄像机作为视觉信号的采集设备，左右摄像头（人眼）获取同一场景并发送数据给图像处理器（大脑）。图像处理器通过计算两幅图像在同一像素的相关偏移获取深度值。像素的深度值经过处理后成为一帧深度图。3D深度提供了2D所无法具备的信息，这些信息能够帮助我们理解3D空间的形状、尺寸、距离以及周边的移动。

2、结构光法

根据投影光束形态的不同，结构光又可分为散斑结构光、条纹结构光等。

结构光测量中将预先确定的光图案被投射于物件上，然后透过分析图案如何失真变形而取得深度信息。结构光的优点是计算简单，测量精度较高，对于平坦的、无明显纹理和形状变化的表面区域都可进行精密的测量。其缺点是对设备和外界光线要求高，造价昂贵。目前，结构光法主要应用在条件良好的室内。

3、飞行时间法（ToF）

飞行时间（Time of Flight，简称ToF）法，它将脉冲激光信号投射到物体表面，反射信号沿几乎相同路径反向传至接收器，利用发射和接收脉冲激光信号的时间差可实现被测量表面每个像素的距离测量。

ToF直接利用光传播特性，不需要进行灰度图像的获取与分析，因此距离的获取不受物体表面性质的影响，可快速准确地获取景物表面完整的三维信息。缺点则是需要较复杂的光电设备，价格偏贵。

4、三角测距法

三角测距法又称主动三角法，是基于光学三角原理，根据光源、物体和检测器三者之间的几何成像关系来确定空间物体各点的三维坐标。在实际测量过程中，它常用激光作为光源，用CCD相机作为检测器。三角法针对一条光束的几何偏移量进行测量，其数值与物件高度相关。这是一种基于物件扫描的单维成像方法。激光点出现于摄影机视野范围内的不同位置，具体取决于激光打在物件表面的距离范围。由于激光点、摄影机与激光发射器形成了一个三角形，因此这种方法被称为三角法。

位移与位置监控应用要求高准确度、高稳定性以及低温度变化，因此，一般采用高精度激光。三角法的缺点在于这种方法只能覆盖到一段较小的距离范围，易受环境光线影响，并且制于扫描应用。同时，它需要用到复杂演算法与校正，而且受到结构性或复杂表面的影响。