機(jī)器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)分支。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。但由于機(jī)器視覺是一門交叉學(xué)科，涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別、自動(dòng)控制、照明、人機(jī)界面等多個(gè)領(lǐng)域。因此，很難給機(jī)器視覺下一個(gè)準(zhǔn)確的定義。
制造工程學(xué)會(huì)(SME)和機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)(RIA)將機(jī)器視覺定義為：機(jī)器視覺利用光學(xué)和非接觸式傳感器自動(dòng)獲取和解釋真實(shí)物體的圖像，以獲取有用的信息來(lái)控制機(jī)器的運(yùn)動(dòng)或過(guò)程控制。
在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，其基本工作流程為：首先照明光源發(fā)出的光照射在被測(cè)物體上；然后再通過(guò)鏡頭成像后由相機(jī)捕獲；隨后，由圖像采集卡收集并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理；最后，以預(yù)先設(shè)計(jì)的圖像形式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，如圖1所示。在這其中，機(jī)器視覺成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量決定了整體機(jī)器視覺系統(tǒng)的檢測(cè)精度，發(fā)揮著極為重要的作用。
圖1 機(jī)器視覺系統(tǒng)工作流程示意圖
機(jī)器視覺成像的一個(gè)重要特點(diǎn)是從圖像中獲取目標(biāo)的信息，傳統(tǒng)視覺成像主要依賴于2D視覺技術(shù)：根據(jù)灰度或彩色圖像中的像素灰度特征獲取目標(biāo)中物體的紋理、形狀、位置、尺寸和方向等信息。但隨著當(dāng)前“智能制造”技術(shù)對(duì)機(jī)器視覺性能的要求逐漸增高，2D視覺技術(shù)的局限性愈發(fā)明顯，迫切需要3D視覺成像技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。
目前，3D視覺成像技術(shù)主要依賴于飛行時(shí)間法（TOF）、結(jié)構(gòu)光法、立體視覺法、三角測(cè)量法和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）法等實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)3D信息的感知和收集。
一、TOF法
TOF法的基本工作原理為利用光飛行的時(shí)間差來(lái)獲取物體的深度：探測(cè)系統(tǒng)與光源同時(shí)啟動(dòng)，發(fā)射的光脈沖經(jīng)目標(biāo)物體后反射回探測(cè)中并由探測(cè)系統(tǒng)直接存儲(chǔ)往返時(shí)間，最后根據(jù)時(shí)間和光速的關(guān)系求得與目標(biāo)物體之間的距離。
這種測(cè)試方法也稱為直接TOF法（D-TOF），通常適用于單點(diǎn)測(cè)距系統(tǒng)，與掃描技術(shù)相結(jié)合便可實(shí)現(xiàn)3D視覺成像。
圖2 PMD公司的工業(yè)TOF相機(jī)以及基于TOF法的自動(dòng)導(dǎo)引叉車示意圖
TOF成像可用于大視野、遠(yuǎn)距離、低精度、低成本的3D圖像采集。其特點(diǎn)是：檢測(cè)速度快、視野范圍較大、工作距離遠(yuǎn)、價(jià)格便宜，但精度低，易受環(huán)境光的干擾。
二、結(jié)構(gòu)光法
結(jié)構(gòu)光投影3D成像目前是機(jī)器人3D視覺感知的主要方式，結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)是由若干個(gè)投影儀和相機(jī)組成，如圖3所示，常用的結(jié)構(gòu)形式有：?jiǎn)瓮队皟x單相機(jī)、單投影儀-雙相機(jī)、單投影儀多相機(jī)、單相機(jī)-雙投影儀和單相機(jī)多投影儀等典型結(jié)構(gòu)形式。
圖3 基于紅外結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)：Astra Stereo S U3
結(jié)構(gòu)光投影3D成像的基本工作原理是：利用計(jì)算機(jī)生成結(jié)構(gòu)光圖案或用特殊的光學(xué)裝置產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，經(jīng)過(guò)光學(xué)投影系統(tǒng)投射至被測(cè)物體表面，然后采用圖像獲取設(shè)備（如CCD或CMOS相機(jī)）采集被物體表面調(diào)制后發(fā)生變形的結(jié)構(gòu)光圖像，利用圖像處理算法計(jì)算圖像中每個(gè)像素點(diǎn)與物體輪廓上點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及其標(biāo)定技術(shù)，計(jì)算得到被測(cè)物體的三維輪廓信息，如圖4所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)光投影次數(shù)劃分，結(jié)構(gòu)光投影3D成像可以分成單次投影3D成像和多次投影3D成像方法。
圖4 結(jié)構(gòu)光投影3D成像的基本工作原理圖
其中，單次投影3D成像方法曝光和測(cè)量時(shí)間短，抗振動(dòng)性能好，適合機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)和手眼機(jī)器人等需要對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行3D成像的應(yīng)用。但該方法景深較低，無(wú)法在大視場(chǎng)情況下獲得較高的垂直空間分辨率。
而多次投影3D成像方法恰能實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率，能有效解決目標(biāo)表面斜率階躍變化的問(wèn)題，但也具有相應(yīng)的不足之處：抗振動(dòng)性能較差，無(wú)法準(zhǔn)確的測(cè)量連續(xù)運(yùn)動(dòng)的物體；測(cè)量精度對(duì)投影儀、相機(jī)的環(huán)境變化敏感；實(shí)時(shí)性相對(duì)較差。
三、立體視覺法
