一、前言

3D相機的應(yīng)用在我們身邊已是越來越常見。在工業(yè)場景中，如自動化工廠的抓取上下料、焊接打磨切割、生產(chǎn)過程中產(chǎn)品檢測、拆碼垛等應(yīng)用。而在消費端，人們常見的無人售貨機的刷臉支付，小區(qū)學(xué)校高鐵站等布置的人臉識別門禁，牙科里牙齒的模型掃描，醫(yī)美行業(yè)面部美容前后的三維重建等?？梢?，3D相機的選型在視覺項目開發(fā)與部署中占據(jù)著舉足輕重的地位。

如何更好的選擇一款合適的3D相機，首先我們需要認識3D相機的主要原理有哪些，不同工作原理的優(yōu)劣勢是怎樣的，不同廠商3D相機的主要特征、重要參數(shù)是怎樣的。只有對這些內(nèi)容進行深入的了解，才能為項目挑選到合適的3D相機，加速項目落地。

二、3D相機的主要成像原理及其優(yōu)劣勢

2.1主流3D成像方案原理

2.1.1雙目視覺原理：

雙目立體視覺由三角法原理進行三維信息的獲取，即由兩個攝像機的圖像平面與被測物體之間構(gòu)成一個三角形。已知兩個攝像機之間的位置關(guān)系和物體在左右圖像中的坐標(biāo)，便可以解算出兩攝像機公共視場內(nèi)物體的空間位置信息。所以，雙目視覺系統(tǒng)一般由兩個攝像機構(gòu)成。其原理圖如下所示：

根據(jù)相似三角形得到以下等式進而推算出Z：

2.1.2激光三角測量原理

如下圖所示，激光頭與攝像頭在同一水平線（稱為基準(zhǔn)線）上，其距離為s，攝像頭焦距為f，激光頭與基準(zhǔn)線的夾角為β。假設(shè)目標(biāo)物體在點狀激光器的照射下，反射回攝像頭成像平面的位置為點P。

由幾何知識相似三角形可得：f/x=q/s ==> q=fs/x。

2.1.3結(jié)構(gòu)光3D成像原理：

結(jié)構(gòu)光法屬于主動式測量，通過投射器將編制好的編碼結(jié)構(gòu)光投射到物體表面，編碼結(jié)構(gòu)光經(jīng)過物體表面高度的調(diào)制后產(chǎn)生扭曲并被攝像機接收，通過后期圖像處理和解碼完成像素點匹配，最后基于三角測量原理實現(xiàn)物體的三維重建。

2.1.4 TOF（Time Of Flight）成像原理

TOF是通過連續(xù)或脈沖波打在物體表面，再通過傳感器接收返回的光，通過測量波的飛行時間測得物體的距離，根據(jù)調(diào)制方法的不同，一般可以分為兩種：脈沖調(diào)制（Pulsed Modulation）和連續(xù)波調(diào)制（Continuous Wave Modulation）。

脈沖調(diào)制：脈沖調(diào)制方案的原理比較簡單，如下圖所示。它直接根據(jù)脈沖發(fā)射和接收的時間差來測算距離。

連續(xù)波調(diào)制：實際應(yīng)用中，通常采用的是正弦波調(diào)制。由于接收端和發(fā)射端正弦波的相位偏移和物體距離攝像頭的距離成正比，因此可以利用相位偏移來測量距離。

2.2主流成像方案優(yōu)劣勢簡述

在光源的依賴性上：基于主動光技術(shù)的三維成像，其成像時內(nèi)部自帶光源，不依賴外部環(huán)境光，而非主動光技術(shù)的雙目方案，其成像則依靠外界光，無法適應(yīng)昏暗的應(yīng)用場景。

在成像質(zhì)量與精度上：線激光結(jié)構(gòu)光方案（絲級）＞條紋光柵結(jié)構(gòu)方案（亞毫米級）＞散斑結(jié)構(gòu)光方案（毫米級）＞TOF方案（厘米級）；

在成像速度上：TOF方案＞散斑結(jié)構(gòu)光方案＞條紋光柵結(jié)構(gòu)光方案＞線激光結(jié)構(gòu)光方案。

三、3D相機選型需關(guān)注的典型指標(biāo)

3.1 3D相機分辨率與像元

分辨率作為相機的基本參數(shù)之一，是指傳感器（CCD或CMOS）芯片靶面排列的像元數(shù)量。

面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率表示，如：1280（寬）× 1024(高)；線陣相機的分辨率通常表示為K,如1K（1024），表示一行由1024個像元。在對同樣大的物體成像時，分辨率越高，能夠顯示更多細節(jié)。

3.2 3D相機的幀率及成像時間

成像時間，一般約定為成像的延時，包含：投射+拍攝+點云計算+數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程的耗時；

3.3 3D相機的FOV

以單目結(jié)構(gòu)光相機為例，其有效的視場范圍為其結(jié)構(gòu)光投射器的視場與其鏡頭成像視場的重疊區(qū)域為有效區(qū)域。如下圖紅色區(qū)域為有效視場范圍：

3.4 3D相機的工作距離和景深

工作距離指3D相機的最近端的拍攝離被測物表面的距離及最遠的距離的區(qū)間，景深是指最近端和最遠端的工作距離的差值；

對于景深的選擇，以普通的深框抓取為例，定義料框大小為長寬高=500mm*500mm*1000mm，其W和H方向的點云需要覆蓋700mm*500mm，咱們在選型的時候需要確定其能滿足這個視野時相機的工作距離，同時，在該距離下再加上料框的高度即為相機實際需要架高的高度，料框的高度即為我們選型相機時需要的景深。在大景深相機的選擇上，以MEMS振鏡為投射核心元器件的3D相機具有較大景深的特點，其景深最大可達2米，可滿足大型拆碼垛等應(yīng)用場景。

3.5 3D相機的精度

精度測量有多個方面：①重復(fù)精度：多次測量的重復(fù)測量結(jié)果的誤差；②.相對平面度：取平面上的數(shù)十萬個點云，擬合平面計算RMS值；

在精度的選型上，需要跟據(jù)場景需要的精度指標(biāo)來進行合理選擇，如TOF目前可達厘米級，散斑結(jié)構(gòu)光達毫米級，以MEMS振鏡為核心投射元器件的條紋結(jié)構(gòu)光則可達亞毫米級；

3.6 3D相機的體積和重量

取決于相機的安裝方式，及選用機械臂的負載，如果相機放在機械臂末端的話，需要考慮到機械臂的負載大小來對相機的重量選型，根據(jù)現(xiàn)場是否存在干涉來考慮對相機體積選型；

知微傳感目前已發(fā)布的3D相機均采用以MEMS振鏡投射器投射結(jié)構(gòu)光，其MEMS振鏡投射器體積與重量與DLP光機相比，具有顯著的優(yōu)勢；

3.7觸發(fā)信號

相機分為軟觸發(fā)和硬觸發(fā)兩種模式，軟觸發(fā)是通過調(diào)用廠商提供的軟件SDK接口來觸發(fā)相機進行拍照；硬觸發(fā)是以外部信號源觸發(fā)相機進行拍照，硬觸發(fā)多為IO觸發(fā)：需給上升沿或者下降沿（數(shù)字電平從低電平（數(shù)字“0”）變?yōu)楦唠娖剑〝?shù)字“1”）的那一瞬間（時刻）叫作上升沿。）

四、小結(jié)

沒有最好的3D相機，只有最適合應(yīng)用場景的3D相機，我們要根據(jù)現(xiàn)場的應(yīng)用場景需要覆蓋的視野、需要的節(jié)拍，對應(yīng)的精度等綜合選擇相機；

五、知名3D相機廠商推薦

3D相機哪家品牌好呢？小編給大家推薦一家國內(nèi)自主研發(fā)的品牌——知微傳感（Zhisensor）。

知微傳感為國內(nèi)知名的3D相機硬件提供商，其研制的3D相機采用自主研發(fā)的MEMS振鏡為投射核心元器件，結(jié)合紅外激光光源，實現(xiàn)光柵動態(tài)結(jié)構(gòu)光投射，再利用三角測距法獲知被測物的三維信息。該系列產(chǎn)品具有精度高，體積小，重量輕，性價比高等優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用在上下料，無序分揀，拆碼垛，切割焊接打磨等領(lǐng)域。

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