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1 三維信息獲取

獲取三維信息的形式一般分為接觸式和非接觸式：

1.1 接觸式測量

使用測量機來獲取三維信息是最常用也是最方便的接觸式測量方法。但是它比較依賴機械結構和傳感器的精度和靈敏度來獲取較高的測量精度。在實際使用的過程中這種方法存在較多的局限性。測量時需要接觸待測物體表面，非常容易劃傷物體表面破壞物體原有形貌。機械零件在長時間的使用下，會產生一定的誤差，從而降低測量精度。在測量較大工件的時候，需要完全遍歷整個物體花費時間和精力。

1.2 非接觸式測量

（1）立體視覺法

該方法具體通過六個步驟實現：圖像的采集、系統相機標定、特征模板匹配、圖像處理、三維仿真匹配以及三維重建。首先，通過兩個相機于不同位置對待測物體進行圖像信息感知獲取。然后根據三角測量原理獲得待測表面的三維信息，還原三維模型并進行重建，立體視覺法原理如圖所示。

但是雙目視覺不適合單調缺乏紋理的場景，會出現匹配困難導致匹配誤差較大甚至匹配失敗等問題。

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（2）飛行時間法

飛行時間法是用激光對物體表面不斷發射脈沖信號，并對其反射回來的信號進行捕獲，計算激光來回傳播的時間，接著根據光度即可確定物體空間位置，原理如圖所示。

飛行時間測量法有很多優點：它可以用來測量較遠距離的物體的三維信息，適用的范圍較廣，同時利用激光脈沖信號可以避免系統受到環境光的影響。但是此方法消耗功率大，會產生大量的熱量以至于不適合長時間使用。

（3）線激光法

線激光法是使用外部激光線進行主動投影,在待測物體表面形成可見光束，然后使用二維相機進行拍攝獲取信息，根據計算還原待測物體的三維信息。利用三角測量原理：直射式測距法或是斜射式激光三角測距法，都可以完成對被測物體的全方位、高精度、非接觸測量。直射式激光測量法在測量視野范圍等方面視野更大具有一定的優勢。相應的斜射式的分辨率更高，圖像質量也會高于直射式激光測量法。在需要激光線處于固定位置的時候則優先選用直射式測量法。在對激光線與物體表面位置不固定時則需要選用斜射式測量法。

直射式光學三角法原理圖

斜射式光學三角法原理圖

2 三維數據的表達形式

一般來說，三維數據的表達形式有體素網格、多視圖、點云和多邊形網格。體素網格可以理解為三維立體空間中的體積像素，概念上類似于二維圖像中的像素概念。體素網格是具有固定大小和坐標位置的三維網格，是點云數據的規則化手段。體素網格需要從與其他體素之間的位置關系中推測出空間位置關系。由于體素網格具有規則的結構，所以可對其進行卷積操作，也可以構建基于體素化點云的卷積神經網絡。但點云數據具有無序性和密度不一致性，體素網格的大小難以設置，又體素的數量巨大，從而影響處理三維數據的效率。

體素網格的表達形式一般適用于虛擬現實、醫療成像白動駕駛等領域。點云是三維空間中非結構化數據的集合。點云能夠表達目標在三維空間中的空間分布及表面特性，每個點是獨立的，點與點之間沒有顯著的聯系。點云由一系列包含重要幾何數據表示的點集組成。存儲點云數據的文件一般只包括三維坐標，有些數據集會增加顏色和強度等信息。為了后續處理數據更加的高效，存儲點云數據的文件一般以ASCII編碼的形式呈現。點云數據也可以被處理成一組具有公共坐標系和全局參數的歐幾里德集，該集合對縮放和平移具有不變性。因此可以通過網絡模型直接提取點云數據的全局和局部特征，以實現各種計算機視覺任務。然而由于點云數據本身缺乏關聯性，會導致物體的表面信息會被弱化。點云的表達形式一般適用于三維重建和目標檢測等領域。多邊形網格也是三維空間中非結構化數據的集合，是由近似多邊形的幾何面組成。幾何面的交點叫共享頂點，幾何面可以是三角形、四邊形或其他凸多邊形。共享頂點的坐標位置和頂點之間的連接關系會被記錄在表中。多邊形網格的表現形式有利于實現立體實物的渲染。但生成多邊形網格是具有挑戰的，主要原因是多邊形網格是非結構化的表現形式，只能用傳統的曲面重建方法生成，無法利用深度學習網絡生成。

3 點云數據特點

（1）非結構化：不同于 RGB 圖片這種結構化數據，點云是三維空間中一系列點的集合，是一種不規則的數據，沒有一種準確的方法可以確定點與點之間的關系或者點與點的先后順序，這就使得無法使用常規的二維卷積神經網絡提取特征。

（2）順序可變換性：點云本質上是一個n×3的矩陣，其中n為點云個數，3 代表每個點包含x，y，z坐標。不論這n個點的順序怎么變化，它們表示在三維空間中的形狀結構和幾何特征是不變的，如下圖所示，雖然點云中點的順序改變了，但是投影到三維空間中的目標大小、形狀等幾何性質并未發生改變。這就使得點云中的點有n！種排列順序，即同一個目標理論上有n！種可以表示它的點云。

（3）旋轉不變性：當同一個目標在三維坐標系中經過旋轉以后，點云中所有點的坐標基本上都會發生改變，但是旋轉前的點云與旋轉后的點云所代表的三維目標還是相同的。如下圖所示，將三維坐標中的點云旋轉以后，雖然各點的坐標值發生了變化，但是變化后的點云投影到三維空間中表示的目標的大小、形狀等幾何性質并未發生改變。