隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展饰剥，光學(xué)三維測量已經(jīng)在越來越廣泛的領(lǐng)域起到了重要作用策洒。主要對接觸式三維測量和非接觸式三維測量進行了介紹洋魂。著重介紹了光學(xué)三維測量技術(shù)的各種實現(xiàn)方法及原理聋亡。最后對目前光學(xué)三維測量的應(yīng)用進行了簡單介紹肘习。

三維測量技術(shù)在自動化生產(chǎn)际乘、質(zhì)量控制、機器人視覺漂佩、反求工程脖含、CAD/CAM以及生物醫(yī)學(xué)工程等方面的應(yīng)用日益重要。傳統(tǒng)的接觸式測量技術(shù)存在測量時間長仅仆、需進行測頭半徑的補償器赞、不能測量彈性或脆性材料等局限性，因而不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要墓拜。

光學(xué)測量是光電技術(shù)與機械測量結(jié)合的高科技港柜。光學(xué)測量主要應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)檢測。借用計算機技術(shù)咳榜，可以實現(xiàn)快速夏醉，準確的測量。方便記錄涌韩，存儲畔柔，打印，查詢等等功能模朋。

光學(xué)三維測量技術(shù)是集光布橄、機、電和計算機技術(shù)于一體的智能化谆府、可視化的高新技術(shù)荠涂，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)進行掃描，以得到物體的三維輪廓灯趁，獲得物體表面點的三維空間坐標裙靶。隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的進步，特別是隨著激光技術(shù)稼炉、計算機技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展犹喜，三維測量技術(shù)逐步成為人們的研究重點。光學(xué)三維測量技術(shù)由于非接觸草嫉、快速測量阎敬、精度高的優(yōu)點在機械、汽車症慰、航空航天等制造工業(yè)及服裝魄帽、玩具、制鞋等民用工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用穴店。 2 三維測量技術(shù)方法及分類

三維測量技術(shù)是獲取物體表面各點空間坐標的技術(shù)，主要包括接觸式和非接觸式測量兩大類拿穴。

接觸式測量

物體三維接觸式測量的典型代表是坐標測量機(CMM泣洞，Coordinate Measuring Machine)忧风。CMM是一種大型精密的三坐標測量儀器，它以精密機械為基礎(chǔ)球凰，綜合應(yīng)用電子狮腿、計算機、光學(xué)和數(shù)控等先進技術(shù)呕诉，能對三維復(fù)雜工件的尺寸缘厢、形狀和相對位置進行高精度的測量。

三坐標測量機作為現(xiàn)代大型精密甩挫、綜合測量儀器贴硫，有其顯著的優(yōu)點，包括：

（1）靈活性強伊者，可實現(xiàn)空間坐標點測量英遭，方便地測量各種零件的三維輪廓尺寸及位置參數(shù)；（2）測量精度高且可靠托津；（3）可方便地進行數(shù)字運算與程序控制蔑氛，有很高的智能化程度。

早期的坐標測量機大多使用固定剛性測頭嚎姨，它最為簡單汇割，缺點也很多。主要為（1）測量時操作人員憑手的感覺來保證測頭與工件的接觸壓力勘职，這往往因人而異且與讀數(shù)之間很難定量描述恋得；（2）剛性測頭為非反饋型測頭，不能用于數(shù)控坐標測量機上剪酵；（3）必須對測頭半徑進行三維補償才能得到真實的實物表面數(shù)據(jù)陨否。針對上述缺陷，人們陸續(xù)開發(fā)出各種電感式药呜、電容式反饋型微位移測頭殃通，解決了數(shù)控坐標測量機自動測量的難題，但測量時測頭與被測物之間仍存在一定的接觸壓力访僚，對柔軟物體的測量必然導(dǎo)致測量誤差昔搂。另外測頭半徑三維補償問題依然存在。三維測頭的出現(xiàn)可以相對容易地解決測頭半徑三維補償?shù)碾y題输拇，但三維測頭仍存在接觸壓力摘符，對不可觸及的表面（如軟表面，精密的光滑表面等）無法測量策吠，而且測頭的掃描速度受到機械限制逛裤，測量效率很低，不適合大范圍測量。

非接觸式測量

非接觸式測量技術(shù)是隨著近年來光學(xué)和電子元件的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的带族，其測量基于光學(xué)原理锁荔，具有高效率、無破壞性蝙砌、工作距離大等特點阳堕，可以對物體進行靜態(tài)或動態(tài)的測量。此類技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品質(zhì)量檢測和工藝控制中择克，可大大節(jié)約生產(chǎn)成本恬总，縮短產(chǎn)品的研制周期，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量肚邢，因而倍受人們的青睞辱雅。隨著各種高性能器件如半導(dǎo)體激光器LD、電荷耦合器件CCD络峦、CMOS圖像傳感器和位置敏感傳感器PSD等的出現(xiàn)舰打，新型三維傳感器不斷出現(xiàn)，其性能也大幅度提高蒋巡，光學(xué)非接觸測量技術(shù)得到迅猛的發(fā)展凫荡。

非接觸式三維測量不需要與待測物體接觸，可以遠距離非破壞性地對待測物體進行測量肚苇。其中功抠，光學(xué)非接觸式測量是非接觸式測量中主要采用的方法。

光學(xué)非接觸式三維測量的概述

光學(xué)非接觸式三維測量技術(shù)根據(jù)獲取三維信息的基本方法可分為兩大類：被動式與主動式蚣锌。

主動式是利用特殊的受控光源（稱為主動光源）照射被測物耘昙，根據(jù)主動光源的已知結(jié)構(gòu)信息（幾何的、物體的计浮、光學(xué)的）獲取景物的三維信息谓墨。被動式是在自然光（包括室內(nèi)可控照明光）條件下，通過攝像機等光學(xué)傳感器攝取的二維灰度圖像獲取物體的三維信息辫继。

光學(xué)被動式三維測量

由于被動式?jīng)]有受控的主動光源怒见，無需復(fù)雜的設(shè)備，并且與人類的視覺習(xí)慣比較接近姑宽。被動式測量技術(shù)主要用于受環(huán)境約束不能使用激光或特殊照明光的場合遣耍，或者由于保密需要的軍事場合。一般是從一個或多個攝像系統(tǒng)獲取的二維圖像中確定距離信息炮车，形成三維面形數(shù)據(jù)舵变，即單目、多目視覺瘦穆。當從一個攝像系統(tǒng)獲取的二維圖像中確定信息時纪隙，人們必須依賴對于物體形態(tài)、光照條件等的先驗知識。如果這些知識不完整绵咱，對深度的計算可能產(chǎn)生錯誤亿絮。從兩個或多個攝像系統(tǒng)獲取的不同視覺方向的二維圖像中，通過相關(guān)或匹配等運算可以重建物體的三維面形麸拄。當被測目標的結(jié)構(gòu)信息過分簡單或過分復(fù)雜，以及被測目標上各點反射率沒有明顯差異時惯慎，這種計算變得更加復(fù)雜颤皆。

以兩個攝像機為例，雙攝像機的系統(tǒng)又稱為雙目視覺系統(tǒng)灯忙，雙目視覺系統(tǒng)的幾何關(guān)系是非常簡單明確的给番，但由于遮掩或陰影的影響，被測物體某些部分有可能只出現(xiàn)在立體點對的一個觀察點上欢兑。有時CCD圖像傳感器由于能量被物體表面大量吸收而得不到足夠的狞绰、由物體反射回來的能量，滿足對應(yīng)點匹配計算的候選點有可能出現(xiàn)假對應(yīng)置凤。因此峦夺，被動三維傳感的方法常常用于對三維目標的識別、理解以及用于位置辐杜、形態(tài)分析拄屈，這種方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，目前在機器視覺領(lǐng)域應(yīng)用廣泛拿杉。立體視覺的基本幾何模型如圖3[4]所示斋值。

雙目立體視覺 (Stereo Vision)根據(jù)同一空間點在不同位置的兩個相機拍攝的圖像中的視差，以及攝像機之間位置的空間幾何關(guān)系來獲取該點的三維坐標值展辞。一個完整的立體視覺系統(tǒng)通嘲掠剩可分為六大部分，包括：

（1）圖像采集罗珍。即通過圖像傳感器如數(shù)碼相機等獲得圖像并將其數(shù)字化洽腺。

（2）攝像機標定。就是通過實驗和計算得到攝像機內(nèi)外等參數(shù)靡砌。

（3）特征提取已脓。它是指從立體圖像對中提取對應(yīng)的圖像特征，以進行后面的處理通殃。

（4）圖像匹配度液。它將同一空間點在不同圖像中的映像點對應(yīng)起來，由此得到視差圖像画舌。

（5）三維信息恢復(fù)：由相機標定參數(shù)和兩幅圖像像點的視差關(guān)系堕担，求出場景點的深度信息，把不同的深度信息量化為不同的灰度值來表示，進而恢復(fù)景物的三維信息霹购。

（6）后處理：因恢復(fù)的三維信息有不連續(xù)性佑惠，所以要對恢復(fù)出的三維信息進行后處理。

立體視覺法廣泛應(yīng)用于航空測量贾瞪、機器人的視覺系統(tǒng)中凯践，雙目、多目以及多幀圖像序列等立體視覺問題已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)研究的重點和熱點习怒。

光學(xué)主動式三維測量

目前符站，主動式光學(xué)三維測量測量技術(shù)已廣泛用于工業(yè)檢測、反求工程毛咸、生物醫(yī)學(xué)弯沥、機器視覺等領(lǐng)域。例如造星，復(fù)雜的葉輪和葉片的面形檢測鸳辛，汽車車身的檢測，人類口腔牙型測量毛彼，整形外科效果評價舒疚，用于制鞋CAD的鞋楦三維數(shù)據(jù)采集，各種實物模型的三維信息記錄與仿形等衫凭。三維高速度审胚、高精度測量技術(shù)將隨著測量方法的完善和信息獲取與處理技術(shù)的改進而進一步發(fā)展，在新的更加廣闊的研究和應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用礼旅。

主動式光學(xué)非接觸測量技術(shù)大體上可分為飛行時間法膳叨、主動三角法、莫爾輪廓術(shù)痘系、投影結(jié)構(gòu)光法菲嘴、自動聚焦法、離焦法汰翠、全息干涉測量法龄坪、相移測量法等。以下對幾種主要的方法進行以下簡單介紹复唤。

飛行時間法

飛行時間法是基于三維面形對結(jié)構(gòu)光束產(chǎn)生的時間調(diào)制健田，一般采用激光，通過測量光波的飛行時間來獲得距離信息佛纫，結(jié)合附加的掃描裝置使光脈沖掃描整個待測對象就可以得到三維數(shù)據(jù)妓局。飛行時間法以對信號檢測的時間分辨率來換取距離測量精度，要得到高的測量精度呈宇，測量系統(tǒng)必須要有極高的時間分辨率好爬，常用于大尺度遠距離的測量侥嫂。

干涉測量是將一束相干光通過分光系統(tǒng)分成測量光和參考光，利用測量光波與參考光波的相干疊加來確定兩束光之間的相位差蒸撕，從而獲得物體表面的深度信息莽入。這種方法測量精度高，但測量范圍受到光波波長的限制跑放，只能測量微觀表面的形貌和微小位移押棋，不適于大尺度物體的檢測。

編碼慈肯、彩色編碼雌她、相位編碼以及混合編碼等。結(jié)構(gòu)光法的優(yōu)點是測量分辨率高数荤、速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)全場測量薄肉，圖像傳感器和投射器不需要遵守嚴格的幾何位置關(guān)系阴戚；通過編碼和解碼確定出射點與成像點之間的對應(yīng)關(guān)系可以很好的解決特征匹配問題。

結(jié)構(gòu)光一般分為云紋法和投影結(jié)構(gòu)光法某亩，投影結(jié)構(gòu)光法（如圖5[3]）是一類面結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)笋熬，它采用光學(xué)投射器將光柵投影于被測物體表面，被表面形狀所調(diào)制的光柵條紋由另一位置的相機拍攝腻菇，從而獲得二維變形條紋圖像胳螟。條紋的變形程度取決于投射器與攝像機之間的相對位置和物體表面的高度，條紋在法線方向的位移（或偏移）與物體表面高度成比例筹吐。當光學(xué)投射器與攝像機之間的相對位置一定時糖耸，由變形的條紋圖像便可以重現(xiàn)物體表面形廓，即可以進行三維表面形貌測量丘薛。投影條紋法因具有測量速度快嘉竟、易自動化、柔性好和全場測量的特點洋侨，成為國內(nèi)外三維形貌測量技術(shù)研究發(fā)展的重點舍扰。

常近十幾年，基于條紋投影的三維模型測量方法在關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用上已獲得了重大突破希坚，已經(jīng)形成商品逐漸地應(yīng)用于工業(yè)边苹、醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域裁僧《糖伲可以實現(xiàn)精度高達對象物體尺寸1/150000以上的全自動三維測量，三測量精度≤0.10mm/4m智榆，已在豐田膊节、日產(chǎn)及裂、馬自達、佳能等企業(yè)應(yīng)用原拉；德國KaVo公司研制出腔修復(fù)治療車嘀矢，其治療過程簡便、快捷堵套、舒適昵例；德國GOM公司的Atos系統(tǒng)已在通用、雷諾著名企業(yè)中得到成功的應(yīng)用端皮；可快速測量物體的三維點云數(shù)據(jù)锣裆，并能實現(xiàn)多視角的模型數(shù)據(jù)拼合；瑞士TESA公司發(fā)出VISIO等一系列非接觸三維測量裝置腰凫；這其中包括人身掃描系列泞驴、精密軸系列、手持系列等等逢防，并成功地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)叶沛、汽車工業(yè)、質(zhì)量檢測等領(lǐng)域忘朝。灰署。。局嘁。溉箕。。

小結(jié)

光學(xué)三維測量技術(shù)的主要特點是實時性悦昵、主動性肴茄、適應(yīng)性好。光學(xué)三維測量數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用但指，無需復(fù)雜的數(shù)據(jù)后處理独郎，由于無需和被測物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用枚赡。

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