视觉测量技术：计算机视觉测量方案

2023-11-24 理论教育版权反馈

【摘要】：计算机视觉测量技术以图像传感器为手段检测空间物体的空间三维坐标，进而检测物体的尺寸、形状和运动状态等。美国、加拿大、日本等发达国家早在20世纪60年代后期就已经开始了计算机视觉测量技术的研究。直到20世纪90年代，随着计算机技术的发展成熟，计算机视觉测量技术逐渐成为一个研究热点。

从计算机视觉的概念和方法出发，将计算机视觉应用于空间几何尺寸的精确测量和定位，从而产生了一种新的计算机视觉应用概念——计算机视觉测量（Vision Measurement）。计算机视觉测量技术以图像传感器为手段检测空间物体的空间三维坐标，进而检测物体的尺寸、形状和运动状态等。

视觉测量的分类方法有很多种。根据测量对象的尺寸大小，可以将测量系统分为近景测量系统与显微测量系统。其中，近景测量系统测量的对象尺寸是几十厘米到几十米，而显微测量系统多指对毫米数量级以下尺寸，利用各种放大镜和显微镜进行的测量。

根据测量过程中系统移动与否，可以将视觉测量系统分为固定式和移动式两类。固定式视觉测量系统是将一个或多个传感器固定安装在刚性框架上，形成一个测量视场，对定位在视场的被测目标进行测量。该方法主要用于高精度的快速检测。移动式视觉测量系统是使传感器沿着指定的轨迹移动来实现对被测目标的测量。该方法一般用于一些特殊应用场合。

按照测量过程的照明方式，可以将视觉测量系统分为主动式视觉测量系统与被动式视觉测量系统。主动式视觉测量是利用特殊的受控光源（称为主动光源）照射被测景物，根据主动光源的已知结构信息（几何的、物理的或光学的信息）获取景物的三维信息。在主动式视觉测量中，景物中的深度信息由三点（光源点、景物中心的照明点和图像中的点）所确定，具有测距精度高，抗干扰性能好和实时性强等特点。被动式视觉测量技术不需要特殊光源，完成测量用的照明是由物体周围的光线来提供的，常常是自然光。由于被动式视觉测量不需要设置受控的主动光源，不需要复杂的设备，且与人眼的视觉习惯比较接近，因而在计算机视觉测量中得到了广泛应用。

按照所处理的图像中景物是否运动，可以将视觉测量系统分为静态图像视觉测量系统和动态图视觉测量系统。静态图像包括静止图像和凝固图像。静止图像是指每幅图像都是一幅静止图像。凝固图像是指动态图像中的某一帧图像。动态图像以帧率度量，帧率反映了画面中运动的连续性。(www.chuimin.cn)

根据测量系统使用的摄像机数量的不同，视觉测量系统可以分为单目视觉测量系统、双目视觉测量系统和多目视觉测量系统等。单目视觉测量系统采用一台摄像机对目标进行测量，常见于平面测量系统。单目测量系统中，摄像机的内参数一般不需要标定，使用比较简单，但是单目视觉测量系统对深度信息的恢复能力较弱。双目视觉测量系统使用两台摄像机对目标进行测量，是最为常见的一类测量系统。双目视觉系统在测量目标的三维信息时，需要对两台摄像机的内参数和外参数进行标定。双目测量系统恢复三维信息的能力强，但其测量精度与摄像机的标定精度密切相关。多目视觉测量系统采用多台摄像机对目标进行测量，多见于三维重构和运动测量及较大尺寸物体的几何量测量。

视觉测量作为当今高新技术之一，在电子技术、光电探测技术、图像处理与分析技术、计算机技术、人工智能技术不断成熟和完善的基础上，得到了突飞猛进的发展，并有着广泛的应用。多年来发达国家竞相开展这项高新技术。例如，应用于产品的在线质量监控、微电子部件（IC、PCB、BGA）自动检测、各种模具三维形状的测量及生产线中机械手的定位与瞄准，由多个视觉传感器组建的柔性的空间三坐标测量站（多传感器视觉测量系统）来完成对大型物体的三维空间尺寸的全自动实时测量。

美国、加拿大、日本等发达国家早在20世纪60年代后期就已经开始了计算机视觉测量技术的研究。直到20世纪90年代，随着计算机技术的发展成熟，计算机视觉测量技术逐渐成为一个研究热点。同发达国家相比，我国的计算机视觉测量研究从20世纪90年代才开始得到重视，经过近20年的发展，目前在计算机视觉测量技术的理论模型、实验验证、实用系统建立与改进完善等研究方面，已取得了许多令人满意的成果。但是总体研究水平相对落后，主要表现在测量功能比较单一、自动化与智能化程度不高及缺乏高水平的实用产品等方面。

视觉测量技术：计算机视觉测量方案

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