基于彩色照片的3D测量技术

3D测量技术

从数码相机照片创建3D数据。应用了摄影机原理和三角剖分的原理。

通常，当使用三次方数据测量对象时，将使用从不同视点拍摄的两张照片中的五个对应点进行测量。KURABO的3D摄影测量系统Kuraves-MD通过设置八个或更多匹配点来实现精确的测量。
由于由镜头畸变引起的图像畸变极大地影响了3D测量的准确性，因此通过结合校正相机镜头畸变的功能进一步提高了准确性。

KURABO的3D测量系统

KURABO的Kuraves-MD是一种测量系统，用于通过基于多个数码相机拍摄的照片输出对象的3D位置坐标（X，Y，Z）来获取各种对象的3D数据。
测量结果可用于计算对象的长度，面积和体积，创建截面图以及计算角度，以及通过读取3D CAD数据合成和创建其他图形。

■3D测量系统的机理

有关Kuraves-MD的详细信息

关于3D测量的提示

提示1。

三角剖分

顾名思义，这种测量技术使用三角形的基本定律来测量两点之间的距离。
更具体地，当已知两点之间的精确距离时，可以根据如下规律来建立在远距离位置上的点与这两个点之间的距离，即定律是在一侧和两个角度（一个角度）之间建立一个三角形。由两端的远端点和两个点组成的点是已知的。（图。1）。

图1：三角剖分的概念图

例如，当您要测量树的高度时，请站在离树稍远的位置。如果您与树之间的距离以及站立位置与树顶和地面之间的直线所成的角度已知，则可以计算树的高度。这也被认为是三角剖分的一种应用（假设树和地面形成的角度为90度）（图2）。

使用此三角剖分原理，您可以测量位于较远位置的对象的三维形状。

图2：测量树的高度

提示2。

针孔相机的原理

使用针孔照相机时，光会通过一个很小的孔（针孔），例如由针头穿过的孔，从而在远处的胶片或感光纸（例如相纸）上形成图像。
当物体暴露在阳光或类似的光下时，光会在各个方向上反射（散射）。现在，拿一个盒子，在盒子外面放一个针孔。在来自盒子外部的光束中，只有那些方向正确的光束才能穿过针孔，而其他光束被盒子阻挡。将敏感纸放在盒子中时，穿过针孔的光束会在敏感纸上形成图像。这就是使您可以使用针孔相机拍照的原理。

（此处形成的图像反转了180度。）
图3：针孔相机示意图

图4示出了由针孔照相机形成的图像与实际物体之间的坐标关系。

图4：从几何角度看针孔摄像头

对于针孔相机，平面I表示敏感纸的表面，距离f表示相机盒的深度。在平面F中与平面I平行地创建一个针孔，然后拍摄图像。

从这种关系中发现，一旦知道了焦距f和物体的坐标M，就可以计算出平面I上的坐标m。

提示3。

通过镜头形成的图像，镜头变形

对于普通相机，镜头用于形成图像而不是针孔。现在让我们看一下用透镜形成图像的机制（图5）。
当光通过透镜时，它会根据入射角在特定方向上折射。此时，通过透镜形状折射的光会聚在透镜之外的点上以形成图像。该斑点称为“焦点”。

图5：使用镜头的相机示意图

当使用透镜形成图像时，由于变形而产生问题。图6示出了当使用数码相机（当然，带有镜头）拍摄类似纸（以相等间隔打印点）时所获得的图像。

如图6所示，透镜本身的变形导致线变形而投影。如该图所示，正方形像桶一样扭曲。这称为“径向变形”，随着点距边缘越近，该现象越明显。

对于稍后将描述的使用相机的三维测量，该畸变必须事先校正，因为它会极大地影响精度。

图6：镜头变形

提示4。

确定多个摄像机之间的位置关系

当使用多个摄像头从不同角度拍摄物体时，如果在摄像头中对每个关注点的反射超过一定数量，我们可以从该点的坐标信息确定摄像头的相对位置。 .7）

图7：摄像机位置的具体图

现在，假设有m个点和n个摄影机（= n张照片）（在图7中）。在这种情况下，可以为n张照片上的m个点设置上述公式的2mn。
有6n + 3m条未知信息（未知值的数量）（相机位置+方向：6n；点位置：3m）。

此时，可以任意建立坐标系。因此，如果将一台摄像机的位置和方向作为参考坐标，则未知值的数量可以减少6。
另外，由于比例尺在几何上变得不确定，所以未知值的数量可以进一步减少1。结果，未知值的总数变为6n + 3m-7。
这意味着当方程数量大于未知值时，可以求解200万个联立方程。

必须满足以下方程式：
假设有2张照片（n = 2），则上述条件变为：

因此，如果原则上在两张照片上拍摄多于4个点，则原则上可以求解联立方程，并可以确定相机之间的位置关系。

但是，非线性是一个瓶颈，因此很难通过使用5个点来求解方程。仓敷的“ Kuraves-MD”通过使用8个对应点成功地求解了方程。

提示5。

使用两个摄像头确定对象坐标

5.根据确定多台摄像机之间的位置关系的方法，使用两台摄像机拍摄对象。如果在摄像机之间建立了位置关系，则对象上的某个兴趣点与摄像机拍摄的图像之间的关系如图8所示。

对于兴趣点，该点位于摄影机的交点处。获得将相机1拍摄的点连接到其镜头中心的线和将相机2拍摄的点连接到其镜头中心的线作为关注目标坐标。
但是，此处仅获得了由连接摄像机1和2形成的三角形与关注点的相对关系。为了获得绝对比例，必须在至少一个地方找到一个普通比例。

图8：使用摄像机的三维坐标的特定图

提示6。

对极线（辅助线）

将相机1连接到兴趣点的线在相机2中投影为直线。该线称为对极线。
将摄像机2连接到关注点的线类似地投影到摄像机1中。

如果未知点的坐标，则已知摄像机1捕获的点位于该线（极线）上。
仓敷纺绩的“ Kuraves-MD”利用对极线的性质将对极线显示为“辅助线”，因此可以用作获取坐标的辅助手段。

图9：对极线

提示7。

测量3d图像的方法

基于图像进行三维图形和位置的测量统称为三维图像测量。有多种技术可用于进行这些测量。

可用的技术大致分为“被动测量”和“主动测量”。
进行被动测量时不会用特定的光或无线电波照射目标对象作为测量支持。相反，通过用光，无线电波或声波照射目标物体来进行主动测量。所获得的信息用于对物体进行三维测量。

无源测量	镜头对焦点技术	该技术使用与通过调整单反相机上的聚焦环进行聚焦相同的原理。即，测量对象和相机的坐标之间的距离。当焦点对准某个点时，可以找到与刻度盘上匹配点的距离。此技术要求镜头的焦深非常小，因此不适合远距离测量。
立体技术	对于此技术，在左右两侧分别放置一个摄像头，并使用三角剖分原理进行测量。根据相机的布局，有不同的立体声技术，包括“双目”，“三目”和“移动相机”类型。“ Kuraves-MD”使用移动相机技术。
主动测量	光激光技术	在该技术中，用光照射物体，并且测量光返回所需的时间以获得距离图像。
主动立体声技术	对于主动立体声技术，两个摄像头之一被发光设备所取代。根据投射光的类型，该技术进一步分为狭缝光束投射技术和其他技术。 *裂隙光束投射技术-裂隙光束投射到物体上，在这种状态下，对物体进行拍照。检测光束的变化程度以进行测量。
照度差立体声技术	对于这种技术，将多个光源投射到目标对象上。在交替使用光源时获得的多个图像用于查找平面方向。靠近光源的物体平面上的表面元素被摄得更亮。因此，可以测量朝向光源的倾斜度。通过获得这样的平面可以进行三维测量。