機器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個分支。簡單說來，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。但由于機器視覺是一門交叉學(xué)科，涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)、模式識別、自動控制、照明、人機界面等多個領(lǐng)域。因此，很難給機器視覺下一個準確的定義。

制造工程學(xué)會(SME)和機器人工業(yè)協(xié)會(RIA)將機器視覺定義為：機器視覺利用光學(xué)和非接觸式傳感器自動獲取和解釋真實物體的圖像，以獲取有用的信息來控制機器的運動或過程控制。

在機器視覺系統(tǒng)中，其基本工作流程為：首先照明光源發(fā)出的光照射在被測物體上；然后再通過鏡頭成像后由相機捕獲；隨后，由圖像采集卡收集并經(jīng)計算機處理；最后，以預(yù)先設(shè)計的圖像形式顯示在計算機屏幕上，如圖1所示。在這其中，機器視覺成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量決定了整體機器視覺系統(tǒng)的檢測精度，發(fā)揮著極為重要的作用。

圖1 機器視覺系統(tǒng)工作流程示意圖

機器視覺成像的一個重要特點是從圖像中獲取目標的信息，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中物體的紋理、形狀、位置、尺寸和方向等信息。但隨著當前“智能制造”技術(shù)對機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)主要依賴于飛行時間法（TOF）、結(jié)構(gòu)光法、立體視覺法、三角測量法和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）法等實現(xiàn)對目標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間差來獲取物體的深度：探測系統(tǒng)與光源同時啟動，發(fā)射的光脈沖經(jīng)目標物體后反射回探測中并由探測系統(tǒng)直接存儲往返時間，最后根據(jù)時間和光速的關(guān)系求得與目標物體之間的距離。

這種測試方法也稱為直接TOF法（D-TOF），通常適用于單點測距系統(tǒng)，與掃描技術(shù)相結(jié)合便可實現(xiàn)3D視覺成像。

圖2 PMD公司的工業(yè)TOF相機以及基于TOF法的自動導(dǎo)引叉車示意圖

TOF成像可用于大視野、遠距離、低精度、低成本的3D圖像采集。其特點是：檢測速度快、視野范圍較大、工作距離遠、價格便宜，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)是由若干個投影儀和相機組成，如圖3所示，常用的結(jié)構(gòu)形式有：單投影儀單相機、單投影儀-雙相機、單投影儀多相機、單相機-雙投影儀和單相機多投影儀等典型結(jié)構(gòu)形式。

圖3 基于紅外結(jié)構(gòu)光的深度相機：Astra Stereo S U3

結(jié)構(gòu)光投影3D成像的基本工作原理是：利用計算機生成結(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)過光學(xué)投影系統(tǒng)投射至被測物體表面，然后采用圖像獲取設(shè)備（如CCD或CMOS相機）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算圖像中每個像素點與物體輪廓上點的對應(yīng)關(guān)系；最后通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及其標定技術(shù)，計算得到被測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成像方法曝光和測量時間短，抗振動性能好，適合機器人實時運動引導(dǎo)和手眼機器人等需要對運動物體進行3D成像的應(yīng)用。但該方法景深較低，無法在大視場情況下獲得較高的垂直空間分辨率。

而多次投影3D成像方法恰能實現(xiàn)較高的空間分辨率，能有效解決目標表面斜率階躍變化的問題，但也具有相應(yīng)的不足之處：抗振動性能較差，無法準確的測量連續(xù)運動的物體；測量精度對投影儀、相機的環(huán)境變化敏感；實時性相對較差。

三、立體視覺法