2.3 采集方式

图像采集是将由光源照射的景物所发出的光用采集器收集的过程，所以图像采集方式主要由光源、采集器和景物三者的相对关系所决定。

2.3.1 成像方式一览

根据光源、采集器和景物三者不同的相互位置和运动情况，可构成多种成像方式。在最简单的情况下，可用一个采集器在一个固定位置对场景取一幅像，亦称单目成像。如果用两个采集器各在一个位置对同一场景取像（也可用一个采集器在两个位置先后对同一场景取像或用一个采集器再借助光学成像系统获得两个像）就是双目成像。此时两幅图像间所产生的视差可用来帮助求取采集器与景物的距离（参见第9章）。如果用多于两个采集器在不同位置对同一场景取像（也可用一个采集器在多个位置先后对同一场景取像）就是多目成像（双目成像是其中的一种特例）。

以上讨论中，均考虑光源为固定的。如果让采集器相对于景物固定而将光源绕景物运动，就能构成光移成像（也称光度立体成像）方式。由于同一景物表面在不同光照情况下亮度不同，所以由光移成像的结果出发可求得物体的表面朝向（但并不能得到绝对的深度信息，具体可参见10.1节）。如果保持光源固定而让采集器进行运动以跟踪场景或让采集器和景物同时运动，就构成主动视觉成像（这是根据人类视觉的主动性来命名的，即人会根据视觉的需要移动身体或头部以改变视角并有选择地对部分景物特别关注），其中后一种又称为主动视觉自运动成像（自运动指景物自身也运动）。另外，在视频或序列图像的采集中，可借助固定的光源和采集器获取运动景物的图像，也可用运动的光源和采集器获取固定景物的图像。在这两种情况下，利用三者之间的相互运动都可获得场景中的运动信息和3-D信息。最后，如果用可控的光源照射景物，通过采集到的投影模式来解释景物的表面形状就是结构光成像方式（见2.3.2小节）。在这种方式中可以将光源和采集器固定而将景物转动，也可以将景物固定而让光源和采集器都围绕景物运动。

以上几种成像方式中一些关于光源、采集器和景物的特点如表2.3.1所示。

2.3.2 结构光法

结构光法是一类常用的在采集图像时直接获取深度信息的方法，其基本思想是利用照明中的几何信息来帮助提取景物自身的几何信息。结构光测距成像系统主要由摄像机和光源两部分构成，它们与被观察物体三者构成一个三角形。光源产生一系列的点或线激光并照射到物体表面，再由对光敏感的摄像机将景物被照亮的部分记录下来，最后通过三角计算来获得深度信息，所以也称为主动三角测距法。主动结构光法的测距精度可达微米级，而可测量的深度场的范围可以达到测距精度的几百到几万倍。

利用结构光成像有很多具体的方式，包括采用光条法、栅格法、圆形光条法、交叉线法、厚光条法、空间编码模板法、彩色编码条法、密度比例法等。由于它们所用投射光束的结构不同，所以摄像机的拍摄方式和深度距离的计算方法也不同，但它们的共同点是都利用了摄像机和光源之间的结构关系。

在基本的光条法中，使用单个的光平面依次（移动或旋转）照射景物各部分，每次使景物上仅出现一个光条，且仅仅让该光条部分可被摄像机检测到。这样每次照射得到一个二维实体的（光平面）图，再通过计算摄像机视线与光平面的交点，就可以得到光条上可见图像点所对应空间点的第三维（距离）信息。

1.结构光成像高度

结构光成像时摄像机和光源要事先标定好。图2.3.1所示为一个结构光系统的几何关系示意图，这里给出镜头所在的与光源垂直的XZ平面（Y轴由纸内向外，光源是沿Y轴的条）。通过窄缝发射的激光从世界坐标系统原点O照射到空间点W（在物体表面）产生线状投影，摄像机光轴与激光束相交，这样摄像机可采集线状投影，从而获取物体表面上点W处的距离信息。

在图2.3.1中，距离F和高度H确定了镜头中心在世界坐标系中的位置，α是光轴与投影线的夹角，β是z和Z轴间的夹角，γ是投影线与Z轴间的夹角，λ为摄像机焦距，h为成像高度（像偏离摄像机光轴的距离），r为镜头中心到z和Z轴交点的距离。由图2.3.1可见，光源与物体的距离Z为s与d之和，其中s由系统决定，d可由下式求得：

将代入，可将Z表示为

上式把 Z 与 h 联系起来（其余全为系统参数），提供了根据成像高度求取物体距离的途径。由此可见，成像高度中包含了3-D的深度信息，或者说深度是成像高度的函数。

2.结构光成像宽度

结构光成像不仅能给出空间点的距离 Z，同时也能给出沿Y方向的物体厚度，这时可借助从摄像机顶部向下所观察到的yz平面上的成像宽度。图2.3.2所示为由Y轴和镜头中心所确定的平面示意图，其中w为成像宽度：

式中t为镜头中心到W点在Z轴垂直投影的距离：

而λ′为沿z轴从镜头中心到成像平面的距离：

如果将式（2.3.4）和式（2.3.5）代入式（2.3.3），就可得到

这样就将物体厚度坐标Y与成像高度、系统参数和物距都联系了起来。