雙目視覺和激光傳感器對目標物體的三維重建，我們對該技術(shù)工作進行概述總結(jié)，讀懂這篇文章，應該就了解其中技術(shù)門道。

（一）背景和研究意義

在現(xiàn)代工業(yè)中，傳統(tǒng)的測量設(shè)備如三坐標測量機、卡尺、千分尺等， 因測量速度慢、效率低，已不能適應現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的需要。而計算機視覺檢測技術(shù)以其非接觸、快速、高精度、自動化程度高等諸多優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應用。已有的方法包括基于單攝像頭結(jié)合結(jié)構(gòu)光的方法、雙目視覺方法、投影儀配合攝像機方法等。其中雙目視覺因其結(jié)構(gòu)靈活、安裝方便、成本低而被廣泛采用。

雙目視覺測量要解決的問題是如何通過兩維CCD圖像恢復出被測量的三維信息， 一般由以下兩個互逆的步驟組成：①根據(jù)三維空間信息及兩維圖像信息標定系統(tǒng)內(nèi)外部參數(shù)；②根據(jù)攝像機參數(shù)標定結(jié)果及獲得的兩維圖像信息，進行三維測量、三維重建。目前的視覺測量一般是遵循先對攝像系統(tǒng)進行標定， 然后利用標定的參數(shù)進行視覺測量與三維重建這一基本思想進行的。在實際應用中會遇到諸如標定參數(shù)變化，照明視場噪聲， 被測表面光特性的影響等問題，使其測量精度難以滿足工業(yè)檢驗與測量的要求。

其中線結(jié)構(gòu)激光掃描技術(shù)具有非接觸式、光條圖像易于處理、測速快、成本低、操作方便靈活等特點，在視覺測量、工藝檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。該技術(shù)中對系統(tǒng)的標定是測量技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前，根據(jù)線結(jié)構(gòu)光傳感系統(tǒng)的測量模型，提出了許多標定方法，如三維立體靶標標定法，齒形靶標定法以及拉絲標定法等。這些標定方法都要求靶標具有很高的精度，成本比較高，而且標定過程繁瑣；目前操作簡單、低成本的標定方法成為研究熱點。攝像機標定與立體匹配是雙目立體視覺系統(tǒng)中最重要也是最困難的問題。隨著攝影測量和計算機視覺理論的發(fā)展，許多學者對攝像機標定技術(shù)進行了深入研究，現(xiàn)已發(fā)展的比較成熟；也有許多學者對立體匹配進行了大量的研究。提出了一種基于雙目立體視覺的激光三維測量技術(shù)，采用了張正友平面模板標定法，系統(tǒng)標定不需昂貴的精制標定塊；同時，利用標定結(jié)果對圖像進行校正，并結(jié)合線結(jié)構(gòu)激光條紋進行匹配點搜索，大大降低了雙目立體視覺中立體匹配的難度。

（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

三維物體的距離感知是計算機視覺的主要研究任務。目前，獲取距離信息的方法和技術(shù)很多。根據(jù)測量原理的不同，三維測量的方法可以分為光學測量、超聲波測量以及電磁測量等。光學測量按照其測量過程所采用的照明方式不同，又可以分為主動測量和被動測量。主動測量需要專門的光源裝置照明目標物體，根據(jù)被照物體表面反射特性獲取目標的三維信息。具有代表性的主動測距方法有結(jié)構(gòu)光法、三角測量法等，比如常用的激光掃描式的視覺系統(tǒng)就是基于三角測量原理。被動視覺則不需要附加光源，利用場景在自然光照下的二維圖像來重建物體的三維信息。

激光結(jié)構(gòu)光由于波長單一，抗電磁干擾能力強，檢測精度高等優(yōu)點，廣泛應用于物體檢測與跟蹤。作為主動視覺測量技術(shù)，其工作原理是：將激光發(fā)射器產(chǎn)生的激光投射到物體表面，CCD傳感器接收與光軸成一定角度的經(jīng)由物體表面形狀形成的反射光，通過三角測量原理，可以得到物體表面的三維坐標。如德國Scout公司開發(fā)的一種多條紋激光傳感器，能同時實現(xiàn)焊接高度的對中跟蹤以及姿態(tài)控制；加拿大的賽融公司專注于激光視覺系統(tǒng)研發(fā)，生產(chǎn)的多功能激光傳感器系統(tǒng)，把定位、跟蹤、裝備檢測以及自適應參數(shù)控制集于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的物體跟蹤，是結(jié)構(gòu)光傳感器先進水平的代表。基于結(jié)構(gòu)光雙目立體視覺的路徑規(guī)劃原理是：將激光雙目視覺傳感器安裝在機器人的末端，逐點測量物體中心坐標，建立測量軌跡的數(shù)據(jù)庫作為運動路徑。眼在手上的結(jié)構(gòu)光雙目立體視覺測量系統(tǒng)由安裝在機器人末端的激光器、兩臺CCD攝像機構(gòu)成測量系統(tǒng)。激光器發(fā)出的光束在焊縫中形成條紋。兩臺攝像機同步采集該條紋，結(jié)合攝像機標定參數(shù)對激光條紋的特征點進行處理獲得三維空間坐標。張廣軍、賀俊吉等人提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)光立體視覺測量模型，該模型應用神經(jīng)網(wǎng)絡的泛化能力，消除了視覺模型誤差、光學誤差因素對測量系統(tǒng)的測量精度影響。王國榮、肖心遠等人基于激光結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)獲取激光圖像，在二維的曲線焊縫跟蹤中獲得良好效果。徐德等人對基于位置的機器人視覺伺服控制進行了研究，將結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)配置在機器人末端執(zhí)行器上，構(gòu)成手眼系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器人位置姿態(tài)和圖像采集的同步，完成測量物體的自動識別和實時跟蹤。

20世紀60年代，美國麻省理工學院的Robert把二維圖像分析推廣到三維景物，標志著立體視覺技術(shù)誕生。隨后，70年代末美國麻省理工學院的Marr教授提出來的計算機視覺理論框架則奠定了立體視覺的發(fā)展基礎(chǔ)。隨著雙目立體視覺技術(shù)的不斷發(fā)展和檢測精度的不斷提高，雙目立體視覺被廣泛應用。例如在生產(chǎn)中，對工業(yè)生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)、照明等因素進行嚴格的控制，應用雙目立體視覺技術(shù)可以進行工業(yè)生產(chǎn)和裝配線的檢測，裝配零件的識別與定位、產(chǎn)品外形輪廓

檢驗、表面缺陷檢驗等；兩個攝像機同步獲取某一時刻場景中某一視點的兩幅圖像，組成圖像序列對，應用雙目視覺技術(shù)恢復場景的三維信息，并利用場景的三維信息識別特定目標、判斷障礙物、道路規(guī)劃等，實現(xiàn)與周圍環(huán)境的自主交互。日本東京大學為機器人加載雙目立體視覺系統(tǒng)實現(xiàn)路徑規(guī)劃和障礙物探測。該機器人動態(tài)導航系統(tǒng)首先根據(jù)攝像機拍攝的圖像識別出障礙物和地面，然后應用雙目視覺測量原理把二維平面坐標系轉(zhuǎn)換到世界坐標系，這樣就形成了機器人周圍環(huán)境地圖，據(jù)此地圖進行實時機器人路徑規(guī)劃和障礙物檢測。北京航空航天大學對基于雙目視覺方法原理的坐標測量機的測距誤差進行了較為系統(tǒng)的分析，主要對攝像機坐標系與坐標測量機坐標系之間的不正交所引起的測距誤差、坐標測量機本身的機構(gòu)誤差引起的測距誤差以及攝像機成像面上像元的量化誤差引起的測距誤差三種誤差因素進行了討論。中國空氣動力研究中心的何海、湯春林等人采用雙目立體視覺系統(tǒng)，通過對風洞試驗模型上兩個以上的圓或三角錐特征點提取，實現(xiàn)了模型側(cè)滑角的空間非接觸實時精確測量。

（三）應用

雙目立體視覺因為有快速，準確，靈活等特點，被廣泛的應用于醫(yī)療，工業(yè)，人工智能等多個領(lǐng)域，尤其當工作的環(huán)境惡劣、條件艱苦（例如：高山地區(qū)的電力線監(jiān)測，建筑施工工地的墻面抹灰，外太空導航等），或者要求長時間、穩(wěn)定性強的工作（國防安全系統(tǒng)，醫(yī)學成像等），雙目立體視覺系統(tǒng)顯現(xiàn)出來了無法比擬的優(yōu)越性。雙目立體視覺應用的部分領(lǐng)域包括：

1、高山地區(qū)的電力線監(jiān)測

由于高壓電力線長期處于高負載工作條件下，因此需要定期檢測其電力線表面是否出現(xiàn)破損，結(jié)冰等情況，常規(guī)的監(jiān)測包括人力監(jiān)測和飛機高空監(jiān)測，然而在環(huán)境惡劣的情況下，人力監(jiān)測危險大、效率低。利用搭載雙目立體視覺系統(tǒng)的無人機能夠很好的完成任務，不僅能夠快速實時的監(jiān)測出電力線表面平整度，同時解決了人力工作和飛機高空檢測帶來的高成本，高危險，低效率的問題。

2、房屋建造抹墻機器人

常規(guī)房屋建造的過程中，對于墻面的水泥通常采用人力抹墻的方式來解決，這樣做的缺點是，墻面抹的不均勻、厚度不一，無法達到工業(yè)級的要求，同時人力成本過高，速度較慢。發(fā)明一款抹墻機器人，該機器人能夠自動抹墻，同時采用雙目視覺系統(tǒng)監(jiān)測墻面的平整度以及厚度，對于墻面抹的不平整的區(qū)域，及時采取措施，利用機器視覺分析檢測代替人工檢測，準確度得到了極大的提高，同時降低了人力成本。

3、衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖像分析

高空遙感監(jiān)測圖片通常是有三種方式：航空衛(wèi)星圖片、氣象衛(wèi)星圖片和地質(zhì)地形衛(wèi)星圖片。對于衛(wèi)星圖片，如果僅僅只是采取人眼分析根本無法取得準確的結(jié)果，利用雙目立體視覺系統(tǒng)，能夠快速準確的計算出距離信息，從而重構(gòu)出三維形狀，將圖片還原成為真實的立體場景，幫助相關(guān)工作者的后續(xù)分析工作。

4、醫(yī)學成像分析

醫(yī)學工作者通常需要對相關(guān)的圖像進行定量分析以判斷病情，常規(guī)的方法無法準確快速的做到這一點，利用雙目立體視覺，可以定量的檢測出影像部分的深度信息，從而能夠用準確的數(shù)值來輔助判斷病情。

5、安全檢測系統(tǒng)

公安機關(guān)經(jīng)常會通過犯罪分子留下的監(jiān)控照片來對犯罪分子的容貌進行估計并搜索，然而普通的監(jiān)控照片通常只是平面的照片，對于犯罪分子的面部全貌并不能夠準確的估計。采用雙目立體視覺，可以通過左右監(jiān)控圖片恢復出犯罪分子的面部全貌，從而進行準確的人物面貌搜索。

6、其他

雙目立體視覺越來越多的被應用在我們的平常生活當中，例如，虛擬現(xiàn)實構(gòu)造空間配合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，雙目立體視覺可以恢復出難以示眾的物品，例如，文物，墨寶等高價值易破損的物品。從而可以建造出虛擬文化館。

（四）研究內(nèi)容

雙目和激光傳感器構(gòu)成的測量系統(tǒng)對被測物體進行三維重建，測量系統(tǒng)由2個攝像機和激光投射器構(gòu)成，將激光投射到被測物體表面。攝像機采集帶有激光的被測圖像，提取光條中心，再根據(jù)雙目立體視覺參數(shù)，利用三角測量法原理在立體視覺模型下獲取被測物特征點的三維坐標。

整個物體的三維重建

為實現(xiàn)工業(yè)中汽車、飛機、骨骼和模具外形等物體的三維重建，介紹了基于激光線掃描的雙目立體視覺三維測量系統(tǒng)。2個攝像機同時攝取一個掃描激光光條圖像，經(jīng)過圖像預處理、光條特征點提取、圖像匹配，利用視差計算出光條上所有點的坐標值，即光條處物體的三維信息。通過坐標系之間的轉(zhuǎn)換把各光條統(tǒng)一到同一世界坐標系下，得到整個物體的三維重建。三維激光掃描測量系統(tǒng)如下圖所示，硬件部分包括雙CCD攝像機，半導體激光器，電控平移臺以及步進電機控制箱。

測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)中用到精密電控平移臺，它通過步進電機驅(qū)動，實現(xiàn)位移調(diào)整自動化。根據(jù)平移臺控制箱設(shè)定的位移量和速度，可以控制滑塊在導軌上滑動的距離及速度，即控制物體掃描的范圍及密度。雙攝像機與半導體激光器組成三維視覺傳感器。控制箱控制步進電機使平移臺在導軌上滑動，帶動三維傳感器系統(tǒng)對物體掃描拍攝，就可以三維重建出整個物體的三維點云數(shù)據(jù)。