光度立體技術及其應用

隨著計算機視覺理論的逐漸成熟，從圖像中獲取物體表面的三維信息的算法己經(jīng)達到了實際應用的階段。立體視覺技術、Shape From X技術、光度立體技術（Photometric Stereo）等一系列圖形算法可以自動從單幅或多幅真實物體照片中提取出其三維結構的信息，而這些技術實施簡便，設備易于獲取，核心部件僅需一臺數(shù)碼相機即可。所以，通過應用計算機視覺理論，從真實物體的照片中重建物體的三維結構的技術是目前得到真實物體3D模型的比較廉價的手段。

光度立體法是SFS（Shape From Shading）陰影恢復形狀方法的一個分支，與SFS不同的是，光度立體法使用多幅圖像來還原物體表面的三維結構，它要求物體和攝像機的相對位置不變，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，計算物體表面的向量場就相對容易了許多，而且不受物體表面反射系數(shù)的影響。

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

當使用光度立體技術時，不需要知道測試對象和相機之間的精確3D關系，也不必使用兩個相機來捕獲3D數(shù)據(jù)。而是使用具有多個照明源的單個相機系統(tǒng)。

通過在不同光照條件下觀察物體，計算其表面。該方法是利用表面相對于光源，從傳感器觀察到的表面反射的光量來進行計算的。

由于光度立體算法的出現(xiàn)，人們越來越意識到良好的照明以及低成本的多光解決方案是機器視覺成功的關鍵，例如Smart Vision Lights的LED燈管理器（LLM）（允許通過以下方式控制四個燈）基于瀏覽器的簡單界面，成本低于幀抓取器或智能相機分線盒，光度立體學在工業(yè)中的應用越來越受到關注，其獨特優(yōu)點使得許多以前難以或不可能解決的常見工業(yè)檢測應用成為可能。

輪胎和夾子

例如，無論零件是卡車輪胎還是汽車夾，在零件上讀取凸起的字母對于機器視覺系統(tǒng)來說總是有問題的。在這個例子中，塑料連接器表面具有多種特征，以及數(shù)字"2"和方向符號。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有區(qū)別，因此沒有對比度。在較大的物體（如輪胎）上，通常使用激光三角測量系統(tǒng)創(chuàng)建 3D 曲面圖。用于 3D 測量的激光掃描系統(tǒng)已變得更加集成和有效，但仍是成本高昂的解決方案，并且通常要求對象在檢查過程中移動，從而增加了自動化解決方案的成本和復雜性。

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。當相機觸發(fā)每次曝光時，LLM 會從不同的方向觸發(fā)光線。相機將每個圖像導入帶有光度立體算法的 PC 中，該算法從每個圖像中獲得最佳像素，并將它們組合成一個合成圖。（圖片由Matrox Imaging提供）

合成皮革穿孔

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