计算机立体视觉技术是否适合亚毫米测量？

我有一个项目，我想成像一个对象并能够将图像中特征的高度导出到亚毫米级的精度（确切的精度还有待确定，但现在可以说是百分之一毫米） 。

以前我曾被告知直接激光测距技术不适合

• 行程时间将太短，因此需要太多的精度才能进行精确的计算
• 轻微振动（例如有人走到仪器附近）会干扰结果

我观察到一种激光设备的售价约为1000美元，可以达到精度，但会遇到振动问题（很好，将设备机械隔离是另外一个讨论）。

我希望获得一个更具成本效益的结果，并考虑将立体视觉作为替代方案。作为该领域的新手，我不确定是否可以达到所需的精度。

理论上是否可以（至少）达到所需的精度？

是否有推荐的论文或资源可以帮助您进一步解释该主题？

附加条款

有问题的物体的范围从大约1/2“平方到大约2 1/2”平方，有时厚度很小（1/16“？）。大部分表面应该是平坦的，尽管一项测试可以是要确认该断言。功能将相当粗糙（通常是尖锐过渡）。^{8月17日11:00}

“较难”的有趣物体之一约为20毫米见方，高1.25毫米。我估计的相关表面特征约为.1-.3mm。摄像头的位置可能在上面的6“左右。这是否可以让您更好地了解？^{8月17日15:15}

我不是要执行单个轮廓/浮雕测量，而是要生成对象的表面高度图。物体的表面特征以及整体轮廓非常重要。

立体成像

考虑到您需要的视野范围与想要的精度以及想要达到的距离有多接近，我认为立体成像可能是一个挑战，因此您需要以某种方式放大要测量的差异。

结构化照明

如果您实质上是在尝试测量物体的轮廓，是否考虑过单个高分辨率相机和结构化照明？

^{由于looptechnology这个形象，未经允许使用，但希望归属就足够了。}

请注意，掠射角越浅，您可以测量的精度越高，但是支持的景深越低，因此对于您的应用，您需要根据需要进行优化或使系统可调（一个激光角度为0 -500um，另一个为500-1500um，依此类推）。但是，在这种情况下，您可能需要在每次更改激光位置时进行校准。

顺便说一句，一种非常便宜的尝试方法是拿起一对激光剪刀，其中包括一个基本的行式激光LED。

最后，您可以通过多次采样，排除异常值然后求平均值来消除振动问题。不过，更好的解决方案是将整个测试设备安装在一块花岗岩上。这对于我过去使用过的激光微加工工具非常有效，即使在工厂中也需要微米级的位置和聚焦深度的精度。

信封后面有些计算。

让我们假设一个与水平方向成10度的入射角，以及一个具有640x480分辨率和87 x 65mm视场的相机。如果我们将光束放置在没有样本的情况下恰好位于人像框的底部，然后将样本与光束交叉放置在样本上，则这应该使我们的最大高度约为15mm，因此未经校正的分辨率约为24um对于每个像素行走在屏幕。使用此设置，应可以看到0.1mm的变化是位置的4像素变化。

类似地，如果我们使用与水平方向成2度的入射角，那么这应该使我们的最大高度约为3mm（Tan（2deg）* 87mm），因此，未经校正的分辨率约为每个像素4.7um，对于更明显的20像素跳。但是，这可能需要更精确的线激光。

注意，如果摄像头足够近，则可能需要使用摄像头高度进行第二次触发计算，以确定线相对于基线的真实位置。

还要注意，如果您不需要绝对精度，并且局部重复性就足够了（例如，您正在对样品的平面度进行分析，以确保其在给定的公差范围内），那么仅能看到激光线的相对位置就可以了。足够。

立体声系统的精度受像素大小的限制。从理论上讲，高端相机应具有足够的像素密度以达到这种精度。当然，将需要对摄像机进行校准，并且物体必须合理地靠近摄像机。

它取决于几何形状，但原则上可以确定。

您的对象需要具有足够的“纹理”，以便可以将一台摄像机的识别特征与另一台摄像机匹配，然后，您的摄像机需要有足够数量的像素，当投影到图像上时，深度差异0.01mm对应于> 1像素飞机。

在这些比例下，映射镜头畸变可能比通常情况下更大。

对于非常精细的分辨率，您最好的选择可能是Keyence的一种便宜易用的激光测深仪。它们可以工作，价格相对便宜，并且是行业标准。 http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

最便宜的2D光学技术可能是使用Ronchi裁定来创建“ Shadow Moire”系统。几年前，在光学工程师的指导下，我设计了一些手持设备来测量磨砂金属表面的微小变形。我们能够很容易地检测到大约100微米（0.1毫米）的深度变化，尽管我记不清了，我们也许能够检测到大约10-20微米的深度差。条纹图案易于解释，还提供了方便的高度图。

这是对阴影摩尔纹技术的合理解释：http : //www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Ronchi裁决的费用约为100美元：http ://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

该设备本身包括Ronchi尺（带有精密沉积线的玻璃平板），以相对于尺固定角度安装的光源，以及相对于尺也设置为精确角度的观察管。我们的设备被放置为与表面直接接触，但是您也可以创建非接触设备。

将设备拼凑在一起后，就需要对其进行校准。根据数学公式，每毫米预期的条纹数量是多少，您仍然需要对其进行校准。为了进行校准，我们使用了薄规格的块，最薄的是已知厚度为1/2密耳（0.0005英寸，约12.5微米）的聚酯薄膜片。将带有标尺的设备放在平坦的半反射表面上，使量规塞在标尺的一个边缘下方。这会产生一系列条纹。您知道量块的高度和标尺的长度，因此使用一点三角函数就可以计算每毫米的条纹数。

也可以选择使用单个摄像机进行激光三角剖分，但是通常比最初看起来要复杂得多。使用激光三角测量来达到约0.1mm的深度精度可能需要大量的工作，并且涉及很多陷阱。

为了获得高精度的表面扫描，您可能需要花费10万美元来购买基于共聚焦显微镜的非常好的系统。他们恶心酷。 http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

从理论上讲，没有什么可以阻止您。但是，我可以认为至少有几个图像捕获问题会在这种规模上显现出来。我不是显微技术专家，这里有两个问题：

• 沿着视线的深度变化与从摄像机到物体的距离相比会是什么？尽管在缩放的正射影像约束下校正更容易（与从物体到相机的视线距离相比，物体的深度变化很小），但这无法为您提供所需的细节。因此，相机将需要非常靠近物体。

• 与对象的大小相比，基线是多少？宽基线很难，而窄基线有很好的技术。听起来像这样大规模地定位两个彼此靠近的摄像机可能会很困难。

（即使我的答案对本网站来说是题外话，也要发布此答案以希望对OP有帮助）

编辑：我下面的计算是针对图像的水平和垂直测量。它们对于基于立体声的深度估计无效。要查看基于立体声的深度估计的有效计算，请参阅Martin Thompson的答案。

根据维基百科，共聚焦激光扫描显微镜可用于表面轮廓分析。

10μm（百万分之一毫米）是各种显微镜设备实用性的起点，因为它仅比数字成像设备的实用性低一个数量级（每个像素大约100μm，可能在10-20 cm的距离处）。

我的假设是：

• 距物体的距离：15cm
• 视场：10cm
• 图像宽度（以像素为单位）：3000
• 原始分辨率：每毫米30像素
• 假设正确聚焦，并且由于噪声，光学元件和压缩伪像，
  • （点扩散功能）对象之间可能会模糊多达5个像素
• 估计分辨率：每毫米6个像素（160μm）

就是说，要以所需的加工精度来构建许多激光器，光学器件和成像组件（以及外壳，这很重要）就很重要。我不确定建立一个穷人的共聚焦激光扫描显微镜是否可行。（我也不知道这种机器的二手价格。）

在这样的分辨率下，仅靠立体视觉而不借助特殊光源（结构光，激光等）将遭受“纹理不足”的问题。

从理论上讲是可能的。实际上...这似乎是一个难题，需要非常高分辨率的立体摄像机并弄清楚一些数学方程式。

具体来说，您至少需要提出一个数学方程式，以找出所需的最低分辨率立体摄像机。然后，您将需要确定所需的测距算法以及质量指标的质量，从而可以测量要测量的内容。

但最重要的是，从理论上讲，可以使用立体凸轮测量亚毫米范围的距离……这更多是试图使其正常工作的“工程”问题。

我前世曾从事计量工作。与此类似的系统都使用立体镜，并声称达到约1微米的精度（子像素精度）。

带有激光扫描仪和编码器的解决方案将是另一种解决方案。

我的工作是测试那些系统。不可能可靠地达到所需的精度。实际上，大多数供应商都在人为地增加数量。

我建议去显微镜。自动化方式高度依赖于许多因素，这些因素将限制您获得所需的精度。航空航天业使用三坐标测量机来测量零件，其测量值远远超过10万美元，并且很难在具有可控大气压和湿度的可控温度室内达到这种精度。这些系统也遭受磨损，并且必须一直进行重新校准。

但最重要的是，这些系统的所有商业秘密都在校准算法中。这真是秘诀，这就是软件和几台5k$cameras can sell for over 100k$