文章來源：“愛光學”公眾(zhong) 號

背景介紹

視覺測量是一種廣泛應用於(yu) 工業(ye) 生產(chan) 、交通運輸等領域的非接觸、高精度、可靠的三維（3D）空間測量技術。隨著加工測量一體(ti) 化、自動駕駛等技術的快速發展，視覺測量的效率已經無法滿足日益提升的需求。因此，降低視覺數據的規模與(yu) 算法的複雜度，進而提升傳(chuan) 感器的時間分辨率，成為(wei) 了提升測量效率的必要途徑。

那麽(me) ，如何才能大幅提升傳(chuan) 感器的時間分辨率呢？事件相機是一種仿生的動態視覺傳(chuan) 感器（DVS），它可以感知光強的變化，與(yu) 傳(chuan) 統圖像傳(chuan) 感器相比，具有更高的時間分辨率（最高可達1 μs，等效於(yu) 數萬(wan) Hz的普通相機）。此外，事件相機的動態響應範圍可達120 dB，並且由於(yu) 僅(jin) 輸出光強的變化，冗餘(yu) 且不發生變化的背景信息也將大大減少。

西安交通大學楊樹明教授團隊特邀綜述先分類介紹了現有普通相機的視覺測量應用，再闡述如何將現有方法轉化為(wei) 基於(yu) 事件相機的動態測量係統，並對比兩(liang) 種相機在不同應用中的優(you) 劣；最後，對基於(yu) 事件相機的視覺測量方法進行總結，並根據其優(you) 勢進行展望。

關(guan) 鍵技術進展

事件相機是一個(ge) 感受光強變化的傳(chuan) 感器，其芯片電路圖如圖1(a)所示，以單位時間∆t 內(nei) 像素點xk的光強I對數信號變化量為(wei) L=㏒(I)評價(jia) 標準，設計閾值，變化量大於(yu) 閾值時輸出正事件，小於(yu) 輸出負事件。DVS的輸出電路如圖1(b)所示，像素陣列觸發並輸出事件，計數器獨立運行並提供μs級的時間戳，通過USB接口芯片存儲(chu) 並傳(chuan) 輸至上位機。事件相機的USB芯片采用FIFO（first in first out）協議，按照事件的觸發順序逐個(ge) 輸出事件。

圖1 事件相機原理。(a) DVS芯片電路圖；(b)DVS輸出電路圖

事件相機的標定模型與(yu) 小孔成像完全一致，因此可以直接采用傳(chuan) 統相機的數學模型和非線性優(you) 化算法，但事件相機難以獲取準確標誌點的亞(ya) 像素坐標。靜止的標定物無法產(chan) 生光強變化，進而無法觸發事件，但標定物在視場中產(chan) 生光強變化又是事件相機標定的必要條件。針對此問題，學者們(men) 提出了兩(liang) 種實驗方法。

第一種方法為(wei) 采用發光體(ti) 作為(wei) 標誌點。如圖2(a)所示，該方法將圖樣變化時極性與(yu) 光強變化一致的事件轉化為(wei) 二維直方圖，在直方圖上提取圓形標誌點，能夠減少不同極性事件引起的噪聲。

第二種方法是用事件相機拍攝持續運動的標定板，大量事件在標誌點的邊緣處產(chan) 生，進而構建事件幀和提取標誌點坐標。由於(yu) 較短時間內(nei) 的事件對噪聲敏感，因此無法用於(yu) 標誌點計算，基於(yu) 衰減方程的累積事件幀轉化法能夠將一段時間內(nei) 的事件轉化為(wei) “等效”灰度圖，如圖2(b)所示。該團隊提出的一種網格不完整的標誌點圖樣提取方法，能夠提取運動過程中超過90%的事件幀，得到圖樣中各個(ge) 標誌點坐標與(yu) 時間的關(guan) 係。根據圖2(c)所示的標誌點軌跡曲線，設計事件幀圖像的評價(jia) 標準，選擇可靠性高的事件幀進行標定，能夠有效提升標定精度。

圖2 事件相機標定方法。(a) 閃光法圖樣變化流程；(b) 運動法的示例事件幀；(c) 標誌點的軌跡

傳(chuan) 統的線結構光掃描速度受相機幀率、運動機構等限製，用於(yu) 測量的激光條紋圖都需要一個(ge) 位置參數來進行點雲(yun) 拚接。如圖3(a)所示，將事件相機引入該係統能夠大幅提升圖像的測量效率，輸出的每個(ge) 事件都有確切的時間戳，結合線性滑台即可確定每一個(ge) 事件觸發時所在的確切位置。將事件轉化得到的如圖3(b)所示的事件幀，光條質量較差，這是光條中心提取算法精度較低導致的，設計出能夠充分利用事件流信息的光條中心提取算法是亟需解決(jue) 的問題。

如圖3(c)所示，基於(yu) 格雷碼的條紋投影能夠檢測每個(ge) 像素點的相位值，而且圖樣隻存在二值信息，便於(yu) 事件相機獲取光強變化信號，是進一步改善事件相機麵結構光的重要途徑。事件相機可通過優(you) 化事件數據流的處理算法，提升測量精度和測量效率，進而開發更加可靠的實時結構光測量係統。

事件相機能夠動態地檢測光強的變化，記錄每一次光強變化的時間戳，更加適用於(yu) 自動對焦技術。如圖3(d)所示，聚焦變化測量法通過探測對焦點所在位置的感知深度信息，開發融合事件相機的聚焦合成係統，能夠大幅提升掃描速度，改善測量效率。

圖3 事件相機結構光係統。(a)事件相機線結構光係統；(b)光條事件幀；(c)事件相機麵結構光係統；(d)聚焦合成係統

總結展望

事件相機是近10年來新發明的DVS，其像素單元的設計與(yu) 普通相機有本質差異，進而輸出的數據從(cong) 二維圖像轉化成了包含位置、時間和極性的事件流。目前重點關(guan) 注事件相機時間分辨率極高的特性，針對預處理較少的2D目標實時追蹤領域進行了充分地研究，並且設計了圖像還原算法，致力於(yu) 代替數據量大、功耗大的高速相機。

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