光度立體技術(shù)及其應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論的逐漸成熟，從圖像中獲取物體表面的三維信息的算法己經(jīng)達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的階段。立體視覺(jué)技術(shù)、Shape From X技術(shù)、光度立體技術(shù)（Photometric Stereo）等一系列圖形算法可以自動(dòng)從單幅或多幅真實(shí)物體照片中提取出其三維結(jié)構(gòu)的信息，而這些技術(shù)實(shí)施簡(jiǎn)便，設(shè)備易于獲取，核心部件僅需一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)即可。所以，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論，從真實(shí)物體的照片中重建物體的三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)是目前得到真實(shí)物體3D模型的比較廉價(jià)的手段。

光度立體法是SFS（Shape From Shading）陰影恢復(fù)形狀方法的一個(gè)分支，與SFS不同的是，光度立體法使用多幅圖像來(lái)還原物體表面的三維結(jié)構(gòu)，它要求物體和攝像機(jī)的相對(duì)位置不變，然后使用不同方向的光源照射物體，從而產(chǎn)生不同的明暗效果。由于有多幅不同的光源下的圖像，計(jì)算物體表面的向量場(chǎng)就相對(duì)容易了許多，而且不受物體表面反射系數(shù)的影響。

測(cè)量任何給定像素的高度不是光度立體技術(shù)的主要考慮因素。相反，該技術(shù)通過(guò)使用3D表面取向及其對(duì)反射光的影響產(chǎn)生對(duì)比度圖像，突出局部3D表面變化。使用傳統(tǒng)的2D成像時(shí)，顯示的變化可能是不可見(jiàn)的。

當(dāng)使用光度立體技術(shù)時(shí)，不需要知道測(cè)試對(duì)象和相機(jī)之間的精確3D關(guān)系，也不必使用兩個(gè)相機(jī)來(lái)捕獲3D數(shù)據(jù)。而是使用具有多個(gè)照明源的單個(gè)相機(jī)系統(tǒng)。

通過(guò)在不同光照條件下觀察物體，計(jì)算其表面。該方法是利用表面相對(duì)于光源，從傳感器觀察到的表面反射的光量來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。

由于光度立體算法的出現(xiàn)，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到良好的照明以及低成本的多光解決方案是機(jī)器視覺(jué)成功的關(guān)鍵，例如Smart Vision Lights的LED燈管理器（LLM）（允許通過(guò)以下方式控制四個(gè)燈）基于瀏覽器的簡(jiǎn)單界面，成本低于幀抓取器或智能相機(jī)分線盒，光度立體學(xué)在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注，其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使得許多以前難以或不可能解決的常見(jiàn)工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用成為可能。

輪胎和夾子

例如，無(wú)論零件是卡車(chē)輪胎還是汽車(chē)夾，在零件上讀取凸起的字母對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)總是有問(wèn)題的。在這個(gè)例子中，塑料連接器表面具有多種特征，以及數(shù)字"2"和方向符號(hào)。從組成圖像中可以看到，包含剪輯的材料和凸起的字母之間沒(méi)有區(qū)別，因此沒(méi)有對(duì)比度。在較大的物體（如輪胎）上，通常使用激光三角測(cè)量系統(tǒng)創(chuàng)建 3D 曲面圖。用于 3D 測(cè)量的激光掃描系統(tǒng)已變得更加集成和有效，但仍是成本高昂的解決方案，并且通常要求對(duì)象在檢查過(guò)程中移動(dòng)，從而增加了自動(dòng)化解決方案的成本和復(fù)雜性。

在這些照片中，黑色塑料夾由位于輪胎周邊 90 度、180 度、270 度和 360 度的線性微型 （LM） LED 燈照亮，并由 LED 燈管理器 （LLM） 控制。當(dāng)相機(jī)觸發(fā)每次曝光時(shí)，LLM 會(huì)從不同的方向觸發(fā)光線。相機(jī)將每個(gè)圖像導(dǎo)入帶有光度立體算法的 PC 中，該算法從每個(gè)圖像中獲得最佳像素，并將它們組合成一個(gè)合成圖。（圖片由Matrox Imaging提供）

合成皮革穿孔

在這個(gè)例子中，顯示了四張合成皮革材料的圖片。人造革，與其模仿的有機(jī)材料類(lèi)似，具有相當(dāng)大的表面紋理。人眼幾乎不可能在整個(gè)圖像上可視化100％的表面紋理。