機器視覺漫談系列之四

      無論明與暗,無論光與影,也無論萬水千山還是滄海桑田,在我們的鏡頭里都是數字與數據。讓機器睜開眼睛看世界... ...

       

       

      (一)“通用式三維即時成像技術”的研制目的

       

        漫談“機器視覺”系列文章之一,討論了在現有的機器視覺概念上,還應該有一個相對狹窄的概念,就是“機器的機器視覺”?!皺C器的機器視覺”這個概念是從技術的角度出發進行的定義,一般是指一種能夠由機器自主產生,無需人工設計和干預,由機器自主實現的,對外界物體和空間環境的直觀感知和判斷的機器視覺。這樣的機器視覺落實到實體上,也可稱為“機器眼”。

       

        系列文章之二討論了“機器的機器視覺”技術研究的最終目標為:

       

        1、被動式、實時、高精度、低功耗的三維圖像生成能力;

       

        2、被視物體和場景的空間及運動的快速感知和智能識別能力;

       

        3、所見即所得的自動視覺學習、歸納、總結的能力。

       

        以上三項目標的實現路徑為按照1、2、3前后順序,依次完成。同時,文中還重點討論了機器視覺的三維圖像生成能力是“機器的機器視覺”目標實現的前提和必要條件。

       

        系列文章之三以人眼為參照,提出了“機器的機器視覺”目標1的目標,也是“機器眼”在視覺感知上必須具備的六項功能,包括:成像過程的自動化、生成數據的三維化、生成過程的實時化、生成方法的被動化、生成算法的通用化、生成結構的小型化。這六項功能和目標的核心目標,就是三維運算的通用化。文中還對現有三維生成的技術進行了梳理,提出了“通用式三維即時成像技術”的技術路線,是采用基于雙目視覺測量技術中的純光學成像原理,采用多相機矩陣的硬件結構,通過空間幾何分析對矩陣相機之間的圖像進行關聯匹配運算,從而自動消除匹配過程的歧義性。

       

        “通用式三維即時成像技術”的研制目的,就是實現“機器的機器視覺”或稱“機器眼”的首要目標,達到被動式、實時、高精度、低功耗的三維圖像生成能力。

       

      (二)“通用式三維即時成像技術”研制的主要思路

       

        目前能夠自動實現三維立體圖像視覺測量的系統,一般采用的技術手段是線激光光截圖測量技術或雙目加結構光的測量技術。

       

        這些技術的主要缺點是:

       

       ?、僭谑彝怅柟庀率褂脮r,可對成像造成強烈干擾,不能滿足成像質量要求;

       

       ?、谶@些方式對于吸光面、大曲面、強反射光滑面,不能形成良好反射,影響檢測效果;

       

       ?、郛敿す夤β侍r,測量深度會減小,測量精度會下降,當激光功率加大時,又容易造成使用者或被測物的傷害;

       

       ?、懿捎媒Y構光等主動成像方式只能是在結構光照到的位置進行檢測,對于結構光之間的空隙,無法形成三維測量數據,做到對被測物細部特征的三維成像;

       

       ?、萦捎诮Y構光照到的部位和其它照不到的位置在成像時的高對比度要求,使被測物的顏色和紋理無法同步測量和展示。

       

        考慮到以上問題,采用基于雙目視覺測量技術中的被動式純光學成像的技術,是最符合“機器眼”三維成像目標要求的技術。單純使用雙目匹配算法實現三維立體圖像計算,目前廣泛應用在航測領域,但該方法在計算三維時,需要人工干預,且大都采用后期處理的方式,難以采用一套程序自動完成。

       

        雙目加結構光這種三維測量方式,就像求解一個線性方程組,要得到唯一的解,方程的數量與變量的數量至少必須一致,如果方程數量不足,就變成了不定解方程,就需要增加方程數量或再給出其它的已知條件。結構光等三維成像時的輔助手段,都可以理解為增加了額外的解方程前的已知條件,由于有了這些已知條件的存在,雖然足以能夠得出方程的唯一解,但這些手段的多樣性和復雜性,使這樣的三維測量難以滿足通用性的要求,同時,極大限制了該類測量系統的應用范圍和測量效果。

       

        按照畫法幾何的原理,描述三維物體時一般采用的是三視圖的方式。如果只用兩個視圖,在一些空間結構體的理解上難免會出現歧義。對于純雙目匹配必然帶來歧義性這樣的命題,雖然目前還沒有嚴格意義上的幾何學證明,但可以舉出許多幾何學上的反例,驗證出某些情況下歧義不可避免,而且從目前涌現的三維實時測量系統中大量采用雙目加結構光的模式來看,依靠純雙目三維測量確實難以實現自動化實時檢測。其可能的原因就是由于雙目匹配空間幾何解算的條件不足,造成了匹配上可能的歧義。

       

        目前流行的雙目或多目圖像測量系統,一般采用的方式是將各相機呈角度布置,這樣能夠擴大測量視場范圍,提高測量精度,角度越大深度測量的精度也越高。但在圖像匹配運算時需要根據相機間的夾角以及被視物的空間位置,首先在采集圖像上計算出匹配極線??臻g位置不同,極線在圖像上的角度不同,成為了一條斜率不固定的斜線。圖像匹配時,就需要按照這條斜率不固定的斜線進行像素搜索和匹配,搜尋范圍不能確定,運算工作量大。

       

        基于以上思考,北京清影公司設計開發了一套建立在四像機組平面陣列基礎上的純圖像三維測量系統,該系統至少包括一組組成2×2陣列的四臺數碼相機,其運算過程是對像機組采集的圖像進行匹配運算;根據匹配好的像素點像坐標,計算各個像素點的空間位置坐標;根據空間位置坐標,形成三維點云數據;建立三維點云圖形,進行三維立體重現。

       

      (三)"通用式三維即時成像技術"介紹

       

        “通用式三維即時成像技術”采用四像機組平面陣列硬件形式,后臺配置通用三維算法,能夠全自動、快速完成對相機視場內被視物體空間關系的解構。北京清影公司經過一年努力,已經完成了全套軟硬件系統的研制,包括:專用三維相機、三維運算軟件和三維立體顯示軟件等。在普通光照條件下,在不到1秒時間內實現被視環境的三維快速成像。同時,申請了11項國際發明專利,已經獲得1項發明和5項實用新型專利授權,打造出以“通用式三維即時成像技術”為核心的完整專利技術體系。

       

        “通用式三維即時成像技術”的三維運算,是采用幾何學的方法完成。其具體步驟是將相機組的四幅同步圖像的幅與幅之間,按像素點逐點在水平和垂直方向進行兩兩匹配運算。四組圖像之間通過幾何關系形成關聯,互相印證,排除那些不符合幾何投影規律的匹配關系以后,技術上完全能夠實現運算的通用化,消除雙目匹配存在的歧義性問題,實現像素間確定和唯一的匹配。匹配完成后,通過匹配像素點的視差計算,直接得出被視點的三維空間坐標,以三維點云形式實現三維顯示。

       

        以上的方法,可以用物理定理來類比理解。例如物體運動滿足牛頓定理的前提條件是光滑平面且不考慮風的阻力等條件,圖像間的匹配也是同樣。當四相機呈矩形陣列平行布置時,相鄰兩相機之間的像素匹配就簡化為直接的水平或垂直匹配,這樣匹配運算就由全圖面運算變為水平或垂直的直線運算,匹配范圍由面縮小為一條直線,增加了空間解算的確定性,極大提高了運算速度。當四組圖像兩兩匹配時,就類似于把四個匹配過程在空間相交為一個個確定的點。形成確定且唯一的三維空間解算幾何結構。

       

        “通用式三維即時成像技術”通過空間幾何的解算,直接跨過各類圖像處理的復雜算法,實現利用多目相機純圖像解算直接測量被視環境中物體的三維尺寸,該方法簡單、快速、準確,可實現標準化程序運算。該技術采用四像機組平面陣列的方式,在任何光照條件下,對任何物體,采用完全相同的匹配算法和步驟就可以實現被視物的三維測量。實現了真正的“所見即所得”的三維機器視覺。

       

      (四)"通用式三維即時成像技術"主要功能

       

        “通用式三維即時成像技術”可完全實現“機器眼”在視覺感知上必須具備的六項功能,包括:成像過程的自動化、生成數據的三維化、生成過程的實時化、生成方法的被動化、生成算法的通用化、生成結構的小型化。初步完成了“機器的機器視覺”的第一項目標,實現了被動式、實時、高精度、低功耗的三維圖像生成能力。

       

        “通用式三維即時成像技術”的主要性能表現在以下幾個方面:

       

        1、使用普通工業相機搭建多目相機組,實現任意環境的下光學被動三維成像,不依賴于結構光、事先標定等任何輔助手段;

       

        2、能夠實時抓取被視物的主要視覺特征,秒級時間內直接得到物體輪廓及其空間三維數據,快速實現物體與背景的分離和切割;

       

        3、硬件結構簡單、軟件完全通用、使用操作方便。徹底擺脫對專業人員、專業設備和專業技能的依賴,傻瓜相機式的操作體驗,隨時隨地的三維測量結果輸出;

       

        4、硬件采用工業相機組,技術成熟可靠、成本低,成像作業過程簡單。

       

      (五)"通用式三維即時成像技術“前景

       

        機器視覺作為人工智能與工業4.0領域的關鍵技術,在今后5~10年內將迎來井噴式的發展,其廣泛的應用范圍,有望創造出千億、以至萬億級的市場機遇。

       

        “通用式三維即時成像技術”作為一種具有高度通用性、靈活性的視覺感知技術,在以下應用方面,提供了一種全新用戶體驗,極大提升了人工智能的成長空間:

       

        可應用于無人汽車上,作為主要視覺裝置部分替代當前使用的景深相機和激光雷達;

       

        可與智能手機相結合,形成普通用戶均可以操作使用的便攜式三維成像終端,供警察、律師、醫生、電商、建筑設計師、機械工程師等專業人士使用;

       

        可應用于AR、VR以及3D打印領域,作為主要的前端視覺成像設備,快速、低成本地搭建景物的三維圖像;

       

        可應用于軍事領域,配置在單兵頭盔、戰車和戰機上,實現對復雜戰場環境的快速偵測感知;

       

        可應用于公安反恐與金融支付領域,對人臉實現三維建模和任意角度的二維識別;

       

        可配置給各種類型的機器人作為視覺感知終端使用,通過提供完整的視覺信息,極大提升無人系統的智能化程度。

       

        “通用式三維即時成像技術”,我們的一小步,機器世界的一大步。

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