主動(dòng)視覺系統(tǒng)

一個(gè)二維視覺系統(tǒng)最明顯的限制是它的移動(dòng)，只有在X-Y平面旋轉(zhuǎn)的能力。這導(dǎo)致了一個(gè)高質(zhì)量的需求，三維（3D）的處理技術(shù)的使用增加。對于工程師探索用的3D檢測，現(xiàn)在有許多不同的技術(shù)可用于創(chuàng)建3D圖像。

對工程師來說最重要的任務(wù)是成功地創(chuàng)建一個(gè)對工業(yè)有用的程序，來獲得所有（x,y,z）方向的高分辨率。根據(jù)物體的形狀和大小以及物體與視覺傳感器之間的距離，，可以使用在不同的三維測量方法，以及不同類型的主動(dòng)視覺系統(tǒng)。

視覺系統(tǒng)由一組設(shè)備組成，能在空間和材料屬性的場景將光和測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息。這些設(shè)備有光敏傳感器（一個(gè)鏡頭，它集中在一個(gè)感光元件或眼睛的圖像）和計(jì)算機(jī)制（計(jì)算機(jī)），允許從傳感器收集的信息。

人類可以很容易地區(qū)分他們所看到的物體，也能夠在各種不同的光線條件下，從不同的參考幀中識別它們。然而，在視覺系統(tǒng)的情況下，一個(gè)像素值的適當(dāng)?shù)慕忉屖且粋€(gè)非常困難的任務(wù)。此外，像素的亮度取決于幾個(gè)因素：

場景幾何-在視覺領(lǐng)域中的對象的形狀和位置；

對象的照明和材料屬性，例如，一個(gè)青銅制成的蘋果看起來不同于一個(gè)真正的蘋果

環(huán)境動(dòng)力學(xué)。

主動(dòng)視覺系統(tǒng)

 

一個(gè)典型的視覺系統(tǒng)的三維分析的過程中，需要一個(gè)深思熟慮的立場來進(jìn)行檢測，在相對位置的對象和傳感器的變化，掃描，保存在一個(gè)共同的坐標(biāo)系統(tǒng)中收集的數(shù)據(jù)，并結(jié)合大量的圖片到一個(gè)三維模型。

主動(dòng)視覺系統(tǒng)由兩個(gè)裝置、一個(gè)相機(jī)和一個(gè)激光投影儀組成。激光發(fā)射光模式，是由物體表面反射，然后使用相機(jī)觀察和拍攝。使用特定的光模式被稱為“結(jié)構(gòu)光”，如線條、網(wǎng)格或其他形狀，一個(gè)可以掃描場景。

長期結(jié)構(gòu)光被定義為簡單或編碼的光圖案（例如，點(diǎn)，線網(wǎng)格或復(fù)雜的形狀）到被照亮的對象的投影。使用結(jié)構(gòu)光的最重要的優(yōu)點(diǎn)是在圖像中的表面特征細(xì)節(jié)都很清晰。其結(jié)果是，無論是檢測和提取的圖像特征的簡化和代表非常精確。 

具有主動(dòng)視覺的三角測量是基于光模式的投影。光線是指向攝像機(jī)的對象視圖的字段。測量之前，必須校準(zhǔn)激光平面。它應(yīng)該是這樣的背景表面的光線是平行于x軸和垂直于y軸。

在圖（下），鏡頭位于坐標(biāo)系統(tǒng)的中心，在焦距（f）從圖像平面（CCD或CMOS傳感器）?；€b是激光和相機(jī)之間的線。

激光平面和基線（b）形成一個(gè)已知角θ?；€長度計(jì)算激光導(dǎo)向，從研究對象反射的光束被放置在中心的x'y矩陣。

基線b可以從這個(gè)方程計(jì)算：

b=ztanθ

從物體表面反射的這一點(diǎn)被投影到圖像平面上

（X，Y）。的3D點(diǎn)（X，Y，Z），現(xiàn)在可以計(jì)算。已知變量b，b，θ，x′，y′，?，F(xiàn)在可以從下面的關(guān)系計(jì)算對象和相機(jī)之間的距離

X2=﹣z(xf)

y2=﹣z(xf)

 

有了這些關(guān)系，現(xiàn)實(shí)世界的坐標(biāo)計(jì)算使用以下的計(jì)算：

X=-x2-fcotθ(bx2)

y=-x2-fcotθ(by2)

z=-x2-fcotθ(bf)

 

測量程序

在這個(gè)測量過程的第一步是建立3D相機(jī)拍攝3D圖像或配置文件之前。以下需要設(shè)置，以檢索從相機(jī)的圖像：

輪廓觸發(fā)和速率；

視場（FOV）和沿X軸分辨率；

三維圖像觸發(fā)；

長度與Y軸；

沿y軸的三維圖像分辨率。

具有主動(dòng)視覺的三角測量是基于光模式的投影。

 

此外，它可能是必要的調(diào)整測量設(shè)置，以提高圖像的質(zhì)量。

當(dāng)這些程序完成后，銀行的圖像大小可調(diào)，適應(yīng)指定的FOV（Field of View）。當(dāng)執(zhí)行設(shè)置，該設(shè)備將開始捕獲圖像，并從所獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)3D模型。

在圖像采集過程中，一些數(shù)據(jù)不可避免地丟失。為了幫助填補(bǔ)這些空白，一個(gè)“填補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)”程序，應(yīng)實(shí)施和超越，以提高三維模型。此過程通過內(nèi)插從周圍的區(qū)域的高度值，從而消除從3D圖像或輪廓的選定部分缺少的數(shù)據(jù)。只有在限定的感興趣區(qū)域內(nèi)的像素中的輸出的影響，但這個(gè)區(qū)域之外的值被用于內(nèi)插。      

通常，該程序是用來制備用于3D圖像與處理丟失的數(shù)據(jù)作為一個(gè)高度值的程序。雖然此程序主要是設(shè)計(jì)用于填充丟失的數(shù)據(jù)的小區(qū)域，它可有效地用于任何尺寸的區(qū)域內(nèi)使用。 

3D模型已被獲取之后，簡檔可以從沿著由該行的開始和結(jié)束點(diǎn)的像素坐標(biāo)指定的行的3D圖像中提取。在配置文件中的最后一個(gè)點(diǎn)的實(shí)際位置可以是從指定的結(jié)束點(diǎn)稍有不同，由于采樣距離。 

在配置文件中的最后一個(gè)點(diǎn)與線的終點(diǎn)之間的距離將是至多一半的采樣距離。然而，如果結(jié)束點(diǎn)是在圖像邊界的距離是至多一個(gè)取樣距離。

 

過濾和分析

在提取配置文件后，必須對配置文件的選定部分進(jìn)行篩選，以消除由模型中的光照條件變化所引起的干擾。將得到的配置文件存儲(chǔ)在新的圖像庫中的輪廓測量，并可以作為一個(gè)平均值或中值濾波器。

與平均濾波器，在所得到的配置文件中的每一個(gè)高度值是在原始配置文件中的相應(yīng)的高度值周圍的相鄰像素的加權(quán)平均。均值濾波的結(jié)果是一個(gè)平滑的輪廓。

用中值濾波，得到的銀行中的每一個(gè)高度值，在原來的配置文件中的對應(yīng)的高度值周圍的相鄰像素的中位數(shù)。中值濾波的結(jié)果是一個(gè)單一的孤立點(diǎn)或噪聲被刪除，但邊緣被保留的個(gè)人資料。鄰域的大小是由濾波矩陣的維數(shù)定義的。

 

感興趣區(qū)域

下一步驟是定義區(qū)域的感興趣的輪廓，用于指定可以在不影響的間隔以外的信息應(yīng)用的測量程序的輪廓的間隔。感興趣的區(qū)域是通過指定所創(chuàng)建的x坐標(biāo)，其中它開始（Ⅹ開始像素），和感興趣的寬度的區(qū)域。

接著，輪廓的選定部分與它的特征點(diǎn)，如局部最大值，最小值，和拐點(diǎn)一起進(jìn)行分析。待分析與一個(gè)定義的感興趣區(qū)域所指定的信息的部分中。應(yīng)當(dāng)指出的是，主動(dòng)視覺方法遇到了一些材料的困難。它具有均勻的反射材料性能最佳。材料如玻璃產(chǎn)生過表面深度區(qū)多次反射，降低或禁止準(zhǔn)確的測量范圍。有光澤的表面被反射的直接表征。

取決于照明和觀察幾何形狀，可能會(huì)在表面反射，由于其能量不足發(fā)生斑點(diǎn)。從表面有光澤多次反射的拐角區(qū)域也能產(chǎn)生野生測量。在一般情況下，基于有源三角測量范圍的攝像機(jī)能夠非常精確的。