（一）“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”的研制目的和主要思路
目前能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維立體圖像視覺(jué)測(cè)量的系統(tǒng)，一般采用的技術(shù)手段是線激光光截圖測(cè)量技術(shù)或雙目加結(jié)構(gòu)光的測(cè)量技術(shù)。
這些技術(shù)的主要問(wèn)題是：①在室外陽(yáng)光下使用時(shí)，可對(duì)成像造成強(qiáng)烈干擾，不能滿足成像質(zhì)量要求；②這些方式對(duì)于吸光面、大曲面、強(qiáng)反射光滑面，不能形成良好反射，影響檢測(cè)效果；③當(dāng)激光功率太小時(shí)，測(cè)量深度會(huì)減小，測(cè)量精度會(huì)下降，當(dāng)激光功率加大時(shí)，又容易造成使用者或被測(cè)物的傷害；④采用結(jié)構(gòu)光等主動(dòng)成像方式只能是在結(jié)構(gòu)光照到的位置進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于結(jié)構(gòu)光之間的空隙，無(wú)法形成三維測(cè)量數(shù)據(jù)，做到對(duì)被測(cè)物細(xì)部特征的三維成像；⑤由于結(jié)構(gòu)光照到的部位和其它照不到的位置在成像時(shí)的高對(duì)比度要求，使被測(cè)物的顏色和紋理無(wú)法同步測(cè)量和展示。
考慮到上述問(wèn)題，采用基于雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)中的被動(dòng)式純光學(xué)成像的技術(shù)，是符合“機(jī)器眼”三維成像目標(biāo)要求的技術(shù)。單純使用雙目匹配算法實(shí)現(xiàn)三維立體圖像計(jì)算，目前廣泛應(yīng)用在航測(cè)領(lǐng)域，但該方法在計(jì)算三維時(shí)，需要人工干預(yù)，且大都采用后期處理的方式，難以采用一套程序自動(dòng)完成。
雙目加結(jié)構(gòu)光這種三維測(cè)量方式，就像求解一個(gè)線性方程組，要得到解，方程的數(shù)量與變量的數(shù)量至少必須一致，如果方程數(shù)量不足，就變成了不定解方程，就需要增加方程數(shù)量或再給出其它的已知條件。結(jié)構(gòu)光等三維成像時(shí)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解，但這些手段的多樣性和復(fù)雜性，使這樣的三維測(cè)量難以滿足通用性的要求，同時(shí)，極大限制了該類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和測(cè)量效果。
按照畫(huà)法幾何的原理，描述三維物體時(shí)一般采用的是三視圖的方式。如果只用兩個(gè)視圖，在一些空間結(jié)構(gòu)體的理解上難免會(huì)出現(xiàn)歧義。對(duì)于純雙目匹配必然帶來(lái)歧義性這樣的命題，雖然目前還沒(méi)有嚴(yán)格意義上的幾何學(xué)證明，但從目前涌現(xiàn)的三維實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中大量采用雙目加結(jié)構(gòu)光的模式來(lái)看，依靠純雙目三維測(cè)量確實(shí)難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)時(shí)檢測(cè)。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(cè)量系統(tǒng)，一般采用的方式是將各相機(jī)呈角度布置，這樣能夠擴(kuò)大測(cè)量視場(chǎng)范圍，提高測(cè)量精度。但在圖像匹配運(yùn)算時(shí)需要根據(jù)相機(jī)間的夾角以及被視物的空間位置，首先在采集圖像上計(jì)算出匹配極線。空間位置不同，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(shí)，就需要按照這條斜率不固定的斜線進(jìn)行像素搜索和匹配，搜尋范圍不能確定，運(yùn)算工作量大。
基于以上思考，北京清影公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套建立在四像機(jī)組平面陣列基礎(chǔ)上的純圖像三維測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少包括一組組成2×2陣列的四臺(tái)數(shù)碼相機(jī)，其運(yùn)算過(guò)程是對(duì)像機(jī)組采集的圖像進(jìn)行匹配運(yùn)算；根據(jù)匹配好的像素點(diǎn)像坐標(biāo)，計(jì)算各個(gè)像素點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)；根據(jù)空間位置坐標(biāo)，形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；建立三維點(diǎn)云圖形，進(jìn)行三維立體重現(xiàn)。
（二）“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”介紹
“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”采用四像機(jī)組平面陣列硬件形式，后臺(tái)配置通用三維算法，能夠全自動(dòng)、快速完成對(duì)相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)被視物體空間關(guān)系的解構(gòu)。北京清影公司經(jīng)過(guò)一年努力，已經(jīng)完成了全套軟硬件系統(tǒng)的研制，包括：專(zhuān)用三維相機(jī)、三維運(yùn)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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)被視環(huán)境的三維快速成像。同時(shí)，申請(qǐng)了11項(xiàng)發(fā)明，已經(jīng)獲得1項(xiàng)發(fā)明和5項(xiàng)實(shí)用新型授權(quán)，打造出以“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”為核心的完整技術(shù)體系。
“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”的三維運(yùn)算，是采用幾何學(xué)的方法完成。其具體步驟是將相機(jī)組的四幅同步圖像的幅與幅之間，按像素點(diǎn)逐點(diǎn)在水平和垂直方向進(jìn)行兩兩匹配運(yùn)算。四組圖像之間通過(guò)幾何關(guān)系形成關(guān)聯(lián)，互相印證，排除那些不符合幾何投影規(guī)律的匹配關(guān)系以后，技術(shù)上完全能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)算的通用化，消除雙目匹配存在的歧義性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)像素間確定和的匹配。匹配完成后，通過(guò)匹配像素點(diǎn)的視差計(jì)算，直接得出被視點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，以三維點(diǎn)云形式實(shí)現(xiàn)三維顯示。
以上方法，可以用物理定理來(lái)類(lèi)比理解。例如物體運(yùn)動(dòng)滿足牛頓定理的前提條件是光滑平面且不考慮風(fēng)的阻力等條件，圖像間的匹配也是同樣。當(dāng)四相機(jī)呈矩形陣列平行布置時(shí)，相鄰兩相機(jī)之間的像素匹配就簡(jiǎn)化為水平或垂直匹配，這樣匹配運(yùn)算就由全圖面運(yùn)算變?yōu)樗交虼怪钡闹本€運(yùn)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(yùn)算速度。當(dāng)四組圖像兩兩匹配時(shí)，就類(lèi)似于把四個(gè)匹配過(guò)程在空間相交為逐個(gè)確定的點(diǎn)。形成確定且三維空間解算幾何結(jié)構(gòu)。
“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”通過(guò)空間幾何的解算，直接跨過(guò)各類(lèi)圖像處理的復(fù)雜算法，實(shí)現(xiàn)利用多目相機(jī)純圖像解算，直接測(cè)量被視環(huán)境中物體的三維尺寸。該方法簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化程序運(yùn)算。該技術(shù)采用四像機(jī)組平面陣列的方式，在任何光照條件下，對(duì)任何物體，采用完全相同的匹配算法和步驟就可以實(shí)現(xiàn)被視物的三維測(cè)量。實(shí)現(xiàn)了真正的“所見(jiàn)即所得”的三維機(jī)器視覺(jué)。
（三）“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”主要功能
“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”的主要功能表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1、 使用普通工業(yè)相機(jī)搭建多目相機(jī)組，實(shí)現(xiàn)任意環(huán)境的下光學(xué)被動(dòng)三維成像，不依賴(lài)于結(jié)構(gòu)光、事先標(biāo)定等任何輔助手段；
2、 能夠?qū)崟r(shí)抓取被視物的主要視覺(jué)特征，秒級(jí)時(shí)間內(nèi)直接得到物體輪廓及其空間三維數(shù)據(jù)，快速實(shí)現(xiàn)物體與背景的分離和切割；
3、 硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件完全通用、操作使用方便。徹底擺脫對(duì)專(zhuān)業(yè)人員、專(zhuān)業(yè)設(shè)備和專(zhuān)業(yè)技能的依賴(lài)，傻瓜相機(jī)式的操作體驗(yàn)，隨時(shí)隨地的三維測(cè)量結(jié)果輸出；
4、 硬件采用工業(yè)相機(jī)組，技術(shù)成熟可靠、成本低，成像作業(yè)過(guò)程簡(jiǎn)單。
（四）“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”應(yīng)用前景
機(jī)器視覺(jué)作為人工智能與工業(yè)4.0領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在今后5～10年內(nèi)將迎來(lái)井噴式的發(fā)展，其廣泛的應(yīng)用范圍，有望創(chuàng)造出千億、以至萬(wàn)億級(jí)的市場(chǎng)機(jī)遇。
“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”作為一種具有高度通用性、靈活性的視覺(jué)感知技術(shù)，在以下應(yīng)用方面，提供了一種全新用戶體驗(yàn)，極大提升了人工智能的成長(zhǎng)空間：
可應(yīng)用于無(wú)人汽車(chē)，作為主要視覺(jué)裝置部分替代當(dāng)前使用的景深相機(jī)和激光雷達(dá)；
可與智能手機(jī)相結(jié)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(yī)生、電商、建筑設(shè)計(jì)師、機(jī)械工程師等專(zhuān)業(yè)人士使用；
可應(yīng)用于AR、VR以及3D打印領(lǐng)域，作為主要的前端視覺(jué)成像設(shè)備，快速、低成本地搭建景物的三維圖像；
可應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，配置在單兵頭盔、戰(zhàn)車(chē)和戰(zhàn)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的快速偵測(cè)感知；
可應(yīng)用于公安反恐與金融支付領(lǐng)域，對(duì)人臉實(shí)現(xiàn)三維建模和任意角度的二維識(shí)別；
可配置給各種類(lèi)型的機(jī)器人作為視覺(jué)感知終端使用，通過(guò)提供完整的視覺(jué)信息，極大提升無(wú)人系統(tǒng)的智能化程度。
“通用式三維即時(shí)成像技術(shù)”，我們的一小步，機(jī)器視覺(jué)的一大步。
圖1、清影三維立體相機(jī)
圖2、樓房照片
圖3、樓房3維立體照片
圖4、花的三維立體照片
圖5、花的照片
