我國學者墨子和他的學生，做了世界上第一個小孔成倒像的實驗，解釋了小孔成倒像的原因，指出了光沿直線進行的性質(zhì)。2000多年后的今天，機器視覺技術變得越來越復雜，工業(yè)領域的圖像處理更多的專注于3D傳感器，而且越來越多的技術已經(jīng)完善并且投入到實際應用中，包括焊縫的檢測，以及在生產(chǎn)過程中對未分類部件進行倉揀或精確測量金屬板。可以說，機器視覺已經(jīng)轉(zhuǎn)向了3D成像。
GGII數(shù)據(jù)顯示，2019年中國機器視覺市場規(guī)模65.50億元（該數(shù)據(jù)未包含計算機視覺市場規(guī)模），同比增長21.77%。2014-2019年復合增長率為28.36%。GGII預測，到2023年中國機器視覺市場規(guī)模將達到155.6億元。
機器視覺典型應用
機器視覺，或者說計算機分析和預測圖像內(nèi)容的能力，通常只取決于輸入的圖像的好壞。這就是為什么工程師們一直孜孜不倦地從硬件和軟件的角度創(chuàng)造出新的、更好的三維成像技術手段的原因。
什么是3D成像？
在研究成像時，工程師可以從人眼捕獲和解釋圖像的方式中找到靈感。
一種視差模擬相機的工作原理
人類視覺系統(tǒng)的工作方式是，每只眼睛從不同的角度觀看世界，并通過稱為視差的過程將這些圖像合并為一個圖像。3D成像采用相同的方法，每次拍攝都使用兩個鏡頭，每個鏡頭拍攝的圖像彼此都不相同。
主動與被動3D成像
3D成像技術按照工作原理，首先分為被動式和主動式兩類。
被動式視覺效仿生物的雙眼視覺（binocular vision）原理，由至少2枚圖像傳感器（image sensor）構成，運用其觀測對象在每個圖像傳感器單獨成像的位置，結(jié)合2枚圖像傳感器的相對物理位置，根據(jù)幾何關系測量原理，可以計算出景深（depth），如下圖所示。
雙目視覺系統(tǒng)的核心在于關聯(lián)同一觀測點在各自圖像傳感器中的坐標位置，如上圖的左圖所示。然而，在實際使用中，由于受到外部環(huán)境和拍攝對象表面紋理屬性等客觀因素影響，特征點自動匹配在算法上較為復雜，匹配精度也直接影響到景深計算精度，影響系統(tǒng)整體效果。
主動式視覺系統(tǒng)則由于其工作原理的不同，有效解決了這一問題。
主動式視覺系統(tǒng)利用獨立的人工光源，主動投射到觀測對象來測量景深。主動式視覺根據(jù)投射光源和景深技術原理的不同，又分為三小類：三角測距法、結(jié)構光法、飛行時間法。如下圖所示。下面做詳細介紹：
主動視覺系統(tǒng)分類
（1）三角測距法（triangular）
三角測距法是利用投射光源、觀測對象和接收圖像傳感器的空間位置，利用三角幾何學計算景深的方法。此方法是眾多主動式3D景深視覺系統(tǒng)的底層基礎算法。
（2）結(jié)構光法（structured light）
結(jié)構光法可以認為是針對在被動式視覺系統(tǒng)中特征點匹配問題的對策性方案。如下圖所示，結(jié)構光的含義是主動光源通過特定圖案編碼投射到被測物體，例如將分布較密集的均勻光柵投影到被測物體上面，由于被測物體表面的不規(guī)則性具有的不同深度，反射到圖像傳感器的光柵條紋會有所變形，這個過程可以看作是由物體表面的深度信息對光柵的條紋進行了調(diào)制。通過對比圖像傳感器接收到的發(fā)生畸變的光柵圖案和原生圖案，就可以解析出每個觀測點的深度信息，形成深度點云（point cloud），即深度幀（depth frame）。
結(jié)構光景深成像原理示意圖
（3）飛行時間法（time of flight）
飛行時間又稱TOF，簡要來說，是基于測量投射的光源信號發(fā)射與接收之間的時間差，計算出景深或距離的一種景深計算方法。
TOF根據(jù)如何測量時間差又可細分為脈沖波測距和連續(xù)波測距。脈沖波測距原理是直接測量脈沖信號發(fā)射和接收的時間差；連續(xù)波測距則是通過連續(xù)發(fā)射整數(shù)波長，通過計算接收波與發(fā)射波之間的相位差，間接計算時間差，如下圖所示。
TOF景深成像原理示意圖
3D成像應用
許多領域可以極大地受益于3D成像。
目前比較熱門的應用就是自動駕駛汽車。隨著3D成像技術的改進，自動駕駛汽車的視覺系統(tǒng)將會更好，讓它們實時做出更準確、更安全的決策。另外增強現(xiàn)實也是將受益于3D成像應用。
除了機器視覺，醫(yī)學領域尤其可以看到許多值得注意的應用，3D成像在超聲、心臟探查和外科視覺等領域的應用將極大地造福于醫(yī)生和患者。
視覺引導脊柱外科手術
3D成像是已成為科技領域熱門領域之一，隨著技術在電路層面的不斷完善，很多領域都可能將3D成像確立為一項司空見慣的技術。
