户外场景4种典型3D相机成像精度实测

不同的应用对3D相机各方面性能有不同的要求，包括分辨率、视场角、成像距离、精度、帧率等。如何根据自己的实际需求选择合适的相机，是很多3D视觉产品研发初期就要考虑的问题。室内场景的3D应用相对成熟。结构光相机被广泛应用于工业机械臂的引导；TOF相机与双目相机被广泛应用于消费电子、机器人自动驾驶等。近年来，室外场景的各种3D应用被逐步挖掘出来。户外场景下对各种典型相机的成像效果分析以及它们的适用领域，目前鲜有报道。为了让3D视觉学术研究、产品研发人员对这一问题有基本的了解，本文给出以下4种典型3D相机的成像效果实测：

1.国外某知名品牌双目3D相机（以下简称双目相机A），是当前全球范围内知名度最高的双目3D相机，官方标明可用于室外场景；

2.国外某知名品牌双目3D相机（以下简称双目相机B），是全球范围内知名度仅次于双目相机A的产品，官方标明可用于室外场景；

3.国内某知名品牌结构光相机（以下简称结构光相机A）；

4.张量无限Tensor Eye（以下简称Tensor Eye），官方标明可用于室外场景。

本次测试了这4款3D相机在户外较强光照条件下对典型材质物体的成像效果，重点分析精度与成像稳定性。

下表是4种型号相机的部分参数。

本次测试物品包括：混凝土，石块，砖，金属，木材，纸制品，塑料，植物等，均在室外场景拍摄，成像距离在1.5~1.8m。

下面来看测试结果，每组测试结果图像依次为：Tensor Eye相机输出的RGB图，双目相机A输出的点云，双目相机B输出的点云，结构光A输出的点云，以及Tensor Eye输出的点云，点云为ply格式。其中，双目相机A和双目相机B均在高精度模式下运行。

1.金属灯杆 石砖 塑料百叶窗

RGB图

双目相机A的点云

双目相机B的点云

结构光相机A的点云

Tensor Eye的点云

从这组测试结果可以看到，室外阳光稍微强烈时，结构光相机基本无法成像，输出的只有稀疏的点，因此后面不再给出它的点云。双目相机A的点云中存在大量的空洞，且金属灯杆、塑料百叶窗变形严重，误差在厘米与分米级。双目相机B对金属灯杆的成像效果相对双目相机A有明显的改善，但对百叶窗的成像误差较大（有严重的扭曲变形），为厘米级。Tensor Eye在这个场景中，对金属灯杆、百叶窗、砖的Z值误差<2mm。

2.木质托盘 纸质包装箱 塑料托盘

RGB图

双目相机A的点云

双目相机B的点云

Tensor Eye的点云

在这个场景中，双目相机A对底部的木质托盘，塑料包装箱的成像误差都是厘米级的，有肉眼可见的明显变形。双目相机B对这两类物体的Z值误差同样达到了1cm左右，也有肉眼可见的变形。Tensor Eye的Z值误差<2mm，没有可见的变形。

3.金属电线杆 水泥地面

RGB图

双目相机A的点云

双目相机B的点云

Tensor Eye的点云

金属电线杆比较细，且表面光滑。在这个场景中，双目相机A对光滑的细金属电线杆有明显的扭曲变形，Z向和XY向的误差都超过了4cm。双目相机B对电线杆的Z向和XY向的误差>1cm，也有明显的变形。Tensor Eye的Z向和XY向误差均<2mm。

4.大理石砖 金属箱

RGB图

双目相机A的点云

双目相机B的点云

Tensor Eye的点云

在这个场景中，双目相机A对金属变电箱与大理石砖都有明显的扭曲，Z和XY向误差>1cm，且存在空洞。双目相机B的成像同样存在肉眼可见的变形，误差约为1cm。Tensor Eye对大理石砖与变电箱金属柜均无可见的扭曲，Z向和XY向误差<2mm。

5.植物

RGB图

双目相机A的点云

双目相机B的点云

Tensor Eye的点云

在这个场景中，双目相机A对植物也在的成像存在明显的扭曲。双目相机B的效果优于双目相机A，但仍有肉眼可见的偏差。Tensor Eye对叶子的成像无肉眼可见的扭曲与偏差。

6.地面 金属井盖

RGB图

双目相机A的点云

双目相机B的点云

Tensor Eye的点云

在这个场景中，双目相机A存在大量空洞，且对地面与井盖扭曲严重，XY向误差为厘米级。双目相机B对地面和井盖同样存在严重扭曲（参考地面上画的停车线等标志，在白色箭头所指的远端的白色直线非常明显），Z与XY向误差同样是厘米级的。Tensor Eye对这两类物体均无肉眼可见的误差，地面砖边缘线、井盖和停车线均无可见的扭曲变形，Z与XY向误差<3mm。

7.大理石柱 石砖

RGB图

双目相机A的点云（俯视图）

双目相机B的点云（俯视图）

Tensor Eye的点云（俯视图）

在这个场景中，双目相机A对地面与大理石柱有严重的扭曲，Z向和XY向的误差>3cm。双目相机B对大理石柱的Z向和XY向误差为1~2cm，俯视可见对大理石柱的柱面圆弧有明显的扭曲变形。Tensor Eye对地面砖与大理石柱的Z向和XY向的误差<2mm，大理石柱的柱面为光滑的圆弧。

综合上述的测试结果，在室外场景中，双目相机A与双目相机B对以上材质物体的成像误差通常是厘米级与分米级的（拍照距离1.5m左右），Z值存在肉眼可见的明显波动。结构光相机A在太阳出来时会被干扰而无法正常成像。Tenor Eye在2m以内的距离对上述各种材质的物体均能达到稳定的毫米级成像误差，1.5m时误差在3mm以内。

综合考虑各方面的因素，下面介绍各种相机适用的场景：

1.双目相机A，价格最便宜，成像速度最快，精度最低。适用于对成本敏感，对成像精度与稳定性没有严格要求的室外场景，以及室内对精度要求不高的场景。

2.双目相机B，价格比双目相机A贵2倍左右，成像精度比A有一定的改善，但没有量级上的提升，成像速度快。适用于对成本相对不敏感、对成像精度要求不高的室外场景，以及部分室内场景。

3.结构光相机A，在室内场景中精度最高且成像稳定，成像速度慢，价格高。适用于室内场景的高精度应用，包括机械臂引导，精确测量，缺陷检测等。

4.Tensor Eye，户外场景精度最高，通常可以稳定地达到毫米级成像误差，成像速度慢，价格高。适用于户外场景对价格不敏感、对速度要求不高的高精度应用，包括机械臂引导、精确测量等。