隨著3D成像技術(shù)日趨成熟,3D相機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)在日常服務(wù)、金融支付、物流分揀、加工制造等越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景中。但仍有許多使用者由于不甚了解不同類(lèi)型3D相機(jī)之間的差異,在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)存在諸多困惑。本文將系統(tǒng)介紹各類(lèi)3D相機(jī)的基本原理、特點(diǎn)以及相互之間的差異,幫助您更好地完成相機(jī)選型。
什么是3D相機(jī)
普通數(shù)碼相機(jī)輸出的圖像以二維像素網(wǎng)格構(gòu)成。依據(jù)每個(gè)像素的屬性將其定義為紅色(Red)、綠色(Green)、藍(lán)色(Blue),通常稱(chēng)為RGB。不同屬性的像素可以用0-255的數(shù)字來(lái)表示,例如,黑色的相應(yīng)值為(0,0,0),純鮮紅色的相應(yīng)值是(255,0,0)。成千上百萬(wàn)的像素可以構(gòu)成我們常見(jiàn)的照片。
3D相機(jī)的不同之處在于,它可以測(cè)量普通數(shù)碼相機(jī)無(wú)法測(cè)量的深度數(shù)據(jù)。所謂深度數(shù)據(jù),就是像素到相機(jī)的距離。所以3D相機(jī)可以獲取四個(gè)值,分別是RGB值和深度信息,即RGB-D。
3D相機(jī)輸出的深度信息可以通過(guò)不同的形式顯示出來(lái)。在上圖示例中,左邊為彩色圖,右邊為深度圖。深度圖中的不同顏色,表示像素到相機(jī)的距離,青色表示距離相機(jī)最近,而紅色則表示距離相機(jī)最遠(yuǎn)。其實(shí)深度圖的顯示,使用什么顏色不重要,只是為了便于識(shí)別。
3D相機(jī)的常見(jiàn)類(lèi)型
3D相機(jī)通過(guò)其使用的深度數(shù)據(jù)計(jì)算方式來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。不同類(lèi)型的3D相機(jī)都有其優(yōu)點(diǎn)與限制性,所以選取何種3D相機(jī),就取決于使用者的實(shí)際需求:(消費(fèi)級(jí)3D相機(jī)/工業(yè)級(jí)3D相機(jī))。常見(jiàn)的選型要素有:最遠(yuǎn)測(cè)量距離、最高精度、是否支持戶(hù)外使用這三點(diǎn)。
結(jié)構(gòu)光3D相機(jī)與編碼光3D相機(jī)都是通過(guò)光源發(fā)射器投射光(通常是紅外光)到物體。所投射的光是有特定圖案的。這種特定的圖案,可以從視覺(jué)層面進(jìn)行設(shè)置,也可以從時(shí)間層面進(jìn)行設(shè)置,還可以是這兩個(gè)方式的結(jié)合。由于光投影的圖案是既定的,所以3D相機(jī)的內(nèi)置傳感器通過(guò)識(shí)別場(chǎng)景中的圖案就可以獲取到深度信息。例如下圖,如果光的既定圖案是一系列條紋,當(dāng)它投射到一個(gè)球上,這些條紋將會(huì)依據(jù)球的表面產(chǎn)生特定形變,且當(dāng)球靠近光源發(fā)射器時(shí),圖案還會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。
利用既定圖像與相機(jī)識(shí)別到的實(shí)際圖像之間的差異,可以計(jì)算出每個(gè)像素到相機(jī)的距離。這項(xiàng)技術(shù)的核心是需要精準(zhǔn)識(shí)別所投射的光的圖案。但是相機(jī)投射出的光的功率會(huì)因?yàn)榫嚯x變大而衰減,還會(huì)受到環(huán)境中其他相機(jī)或設(shè)備發(fā)出的紅外線噪音的干擾,因此,編碼光和結(jié)構(gòu)光相機(jī)適合在室內(nèi),進(jìn)行短距離作業(yè)。
立體視覺(jué)相機(jī)依據(jù)內(nèi)置的傳感器數(shù)量可分為單目立體視覺(jué)相機(jī)(內(nèi)置單個(gè)傳感器)與雙目立體視覺(jué)(內(nèi)置兩個(gè)傳感器)相機(jī)。由于它們工作原理相同,以下舉例均以雙目立體視覺(jué)技術(shù)為例進(jìn)行介紹。立體視覺(jué)相機(jī)常利用紅外光來(lái)提高測(cè)量精度,并且可利用一切光進(jìn)行測(cè)量,這一點(diǎn)不同于上文介紹的編碼光或結(jié)構(gòu)光3D相機(jī)。雙目立體視覺(jué)相機(jī)內(nèi)置兩個(gè)傳感器,可以分別得到出兩組圖像的深度信息。由于傳感器之間的距離是已知的,通過(guò)計(jì)算便可以得到被測(cè)對(duì)象的深度信息。
雙目立體視覺(jué)相機(jī)的工作原理,與人眼進(jìn)行深度感知的原理類(lèi)似。人的兩眼分別可看見(jiàn)一幅圖像,大腦可以計(jì)算出兩眼之間的差異,距離物體近的一只眼所識(shí)別出的物體移動(dòng)幅度更大,而距離物體遠(yuǎn)的一只眼所識(shí)別出的移動(dòng)幅度就就小一些。
雙目立體視覺(jué)相機(jī)在大多數(shù)照明條件下,甚至是戶(hù)外,它都能保持良好的性能。如為其配置紅外光發(fā)射器,那么即使在光照條件差的環(huán)境中,它依然能敏銳感知深度信息。雙目立體視覺(jué)相機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,在特定場(chǎng)景中,相機(jī)的使用數(shù)量是沒(méi)有限制的,不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)編碼光相機(jī)或TOF相機(jī)同時(shí)使用時(shí)出現(xiàn)的互相干擾的問(wèn)題。
雙目立體視覺(jué)相機(jī)所能測(cè)量的距離取決于兩個(gè)內(nèi)置傳感器之間的距離,也就是基線距離?;€距離越寬,相機(jī)可測(cè)試的距離就越遠(yuǎn)。事實(shí)上,天文學(xué)家們使用一種相似的技術(shù)來(lái)測(cè)量恒星距地球的距離。先測(cè)量一顆恒星在天空中的位置,六個(gè)月后,當(dāng)?shù)厍蜻\(yùn)轉(zhuǎn)到軌道中離原始測(cè)量點(diǎn)最遠(yuǎn)位置時(shí),再次測(cè)量同一恒星位置。這樣,天文學(xué)家就可以利用大約3億公里的基線距離計(jì)算出恒星距離地球的位置(恒星的深度信息)。
每種3D相機(jī)都依賴(lài)已知信息來(lái)推斷深度信息。例如,在立體視覺(jué)技術(shù)中,基線距離是已知的。在編碼光和結(jié)構(gòu)光技術(shù)中,光的圖案是已知的。而在TOF技術(shù)(Time of Flight)方面,光速則是用來(lái)計(jì)算深度的已知變量。
所有類(lèi)型的TOF相機(jī)都會(huì)發(fā)射某種光線,用來(lái)掃射全場(chǎng),然后測(cè)算光反射回來(lái)的時(shí)間。根據(jù)光的功率和波長(zhǎng),TOF相機(jī)適用于遠(yuǎn)的距離的測(cè)量工作,例如,用TOF相機(jī)在直升機(jī)上進(jìn)行地圖繪制的相關(guān)測(cè)量工作;汽車(chē)自動(dòng)駕駛中常使用的激光定位器。
TOF相機(jī)的缺點(diǎn)是,在相同空間內(nèi),其他相機(jī)的光會(huì)對(duì)它們?cè)斐奢^強(qiáng)干擾,而且在室外環(huán)境下也不適用。
你能用3D相機(jī)做什么
3D相機(jī)可以讓任何設(shè)備和系統(tǒng)不需要人工干預(yù)的方式理解場(chǎng)景。雖然計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)理解二維圖像,但這需要投入大量的時(shí)間和成本來(lái)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。3D相機(jī)本身可提供一些無(wú)需訓(xùn)練便可識(shí)別的信息,例如,3D相機(jī)可直接區(qū)分前景、背景、場(chǎng)景,從圖像中剔除背景物,這對(duì)于需要分割背景的相關(guān)應(yīng)用中非常有幫助。
本文為解釋3D相機(jī)的類(lèi)別及工作原理,列舉了一些應(yīng)用場(chǎng)景。而實(shí)際上,3D相機(jī)可應(yīng)用的范圍遠(yuǎn)比這廣泛的多。未來(lái),3D視覺(jué)技術(shù)不僅能幫助設(shè)備看得更遠(yuǎn)、更立體,更精準(zhǔn),同時(shí)還能聯(lián)合人工智能,助力更多領(lǐng)域的升級(jí)、創(chuàng)新。
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