光電三維傳感

1、光電三維傳感楊劉洋摘要：本文介紹了光電三維傳感的一些常用方法，比如三角測量法、相位測量法、飛行時間法等，并對其測量原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。列舉了三維傳感的應(yīng)用領(lǐng)域，并作了相關(guān)方面的重點(diǎn)介紹，以及對未來的展望和應(yīng)用前景的描述。關(guān)鍵字：光學(xué)三維傳感；光電三維傳感；三維識別；視覺測量；傳感技術(shù)1. 引言人類生活在一個豐富多彩的真實(shí)三維世界中，而整個世界又充滿了無數(shù)神秘的事物等待著人類去探索。隨著人類文明的進(jìn)步，人類對世界探索的方法不斷提高和創(chuàng)新，探索的領(lǐng)域越來越廣，獲取的知識量也越來越大，并將多種學(xué)科技術(shù)應(yīng)用到各個領(lǐng)域。人類的記錄內(nèi)容由剛開始的符號、數(shù)字記號到后來的圖像、文字記錄；以前的記錄手段都使

2、用手工撰寫和手工篆刻方法，而現(xiàn)代科技為人們提供了各種記錄手段，有電記錄、磁記錄、光記錄，以及它們的聯(lián)合記錄；隨著電腦科技的發(fā)展以及激光技術(shù)的大力發(fā)展，現(xiàn)代的記錄、存儲、傳感等都不斷出現(xiàn)自動化、智能化、人性化，以前只能記錄二維的數(shù)字、文字、符號、圖片，然而很多物體本來就具有豐富的三維信息，但由于技術(shù)不夠發(fā)達(dá)，不能對其三維信息全都記錄下來，只能夠丟掉一部分信息，記錄其二維信息。在理論技術(shù)條件和實(shí)際生成條件都大幅提高之后，獲取和記錄二維信息已不能滿足人類的需要，獲取、記錄、顯示三維信息已經(jīng)成為當(dāng)代人類社會發(fā)展共同的需要，為社會發(fā)展提供技術(shù)支持。自20世紀(jì)90年代以來,光學(xué)三維傳感已逐漸成為當(dāng)今國際上

3、的熱門研究課題之一,美國、日本、德國、加拿大等國在該領(lǐng)域相繼提出了許多新的測量原理和方法1-7,我國目前在這一領(lǐng)域也取得了較大的研究進(jìn)展。光學(xué)三維傳感是指采用光學(xué)的手段獲取物體三維空間信息的方法和技術(shù)，目前主要是指獲取物體的表面三維空間信息的方法和技術(shù)。我們相信隨著多學(xué)科的發(fā)展，將來的三維光學(xué)傳感獲取的不僅是物體表面的三維空間信息，還包括物體內(nèi)部空間的三維信息。光學(xué)三維傳感具有大量程、非接觸、測量速度快、系統(tǒng)柔性好、精度較高等優(yōu)點(diǎn),并且它以現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為技術(shù)背景，廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺、實(shí)物仿形、工業(yè)檢測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、影視特技、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。為此，國際光學(xué)學(xué)會在1994年

4、以信息光學(xué)的前沿為主題的年會上，首次將光學(xué)三維傳感列為信息光學(xué)前沿七個主要領(lǐng)域和方向之一。1997年正式啟動的數(shù)字米開朗基羅計(jì)劃(The Digital Michelangelo project)就是光學(xué)三維傳感技術(shù)在藝術(shù)雕塑和文物保護(hù)方面應(yīng)用的一個成功例子。該計(jì)劃的成員由Stand ford大學(xué)和Washington大學(xué)的專家和學(xué)生組成,目的是對意大利的Michelangelo的雕塑和由他設(shè)計(jì)的建筑進(jìn)行三維數(shù)字化。該計(jì)劃在1998-1999年之間進(jìn)行,共對10個Michelangelo的雕塑(其中包括最為著名的雕塑David),兩座建筑物的內(nèi)部,Forma Urbis Roma的1163個外

5、部碎片和一塊雕刻在大理石上的古羅馬地圖進(jìn)行了三維數(shù)字化。因此，研究三維傳感技術(shù)對整個社會的發(fā)展是具有重大價值和意義的。2. 基本方法的分類及其原理介紹對于獲取三維物體外形信息的基本方法，根據(jù)照明方式的不同可以分為兩大類：主動三維傳感和被動三維傳感。2.1 主動三維傳感：采用結(jié)構(gòu)照明方式。由于三維面形對結(jié)構(gòu)光場的空間或時間進(jìn)行調(diào)制，可以從攜帶有三維面形信息的觀察光場中解調(diào)得到三維面形數(shù)據(jù)。由于這種方法具有較高的測量精度，因此大多數(shù)以三維面形測量為目的的三維傳感系統(tǒng)都采用主動三維傳感方式8-11。作為結(jié)構(gòu)照明所采用的光源，原則上可以采用激光光源和普通光源。激光具有亮度高、方向性和單色性好、易于實(shí)現(xiàn)

6、強(qiáng)度調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，所以在很多應(yīng)用領(lǐng)域常常采用以激光為光源的三維傳感系統(tǒng)。采用白光光源的結(jié)構(gòu)照明方式具有噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，特別是在面結(jié)構(gòu)照明的三維傳感系統(tǒng)中受到愈來愈多的重視。根據(jù)三維面形對結(jié)構(gòu)照明光場調(diào)制方式的不同，人們將主動三維傳感方法分為：（1）時間調(diào)制：飛行時間法（TOF）（2）空間調(diào)制：直接三角法 相位測量法 調(diào)制度測量輪廓術(shù)2.1.2飛行時間法：基于三維面形對結(jié)構(gòu)照明光束產(chǎn)生時間調(diào)制。圖1飛行時間法原理一個單頻率調(diào)制的激光脈沖信號從發(fā)射器發(fā)出，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑返向傳回到接受器，利用檢測光脈沖從發(fā)出到接受之間的時間延遲，計(jì)算出距離Z：c為光速。 （式2-1）不同

7、高度處的時間延遲不同，從而由時間延遲量計(jì)算出相應(yīng)的高度信息，通過物體的空間高度信息可重新構(gòu)造出物體原貌。其優(yōu)缺點(diǎn)分析：（1）原理簡單（2）可以避免陰影和遮擋等問題（3）要得到較高的距離測量精度，對信號處理系統(tǒng)的時間分辨率有極高的要求。2.1.3直接三角法：三維面形對結(jié)構(gòu)照明光束產(chǎn)生空間調(diào)制。根據(jù)照明系統(tǒng)投射光束的不同可分為三種方式：1. 點(diǎn)結(jié)構(gòu)-激光逐點(diǎn)掃描法 2. 線結(jié)構(gòu)-光切法 3. 面結(jié)構(gòu)-二元編碼投影法1. 點(diǎn)結(jié)構(gòu)-激光逐點(diǎn)掃描法原理：由于三維面形對結(jié)構(gòu)照明光束產(chǎn)生的空間調(diào)制，改變了成像光束的角度，即改變了成像光點(diǎn)在檢測器陣列上的位置，通過對成像光點(diǎn)位置的確定和系統(tǒng)光路的幾何參數(shù)，計(jì)算

8、出距離Z12。由像三角形和物三角形相似的幾何關(guān)系可得：(a) （式2-2） （式2-3）(b) (式2-4)(c) 滿足Scheimpflug條件： ，則有： (式2-5)圖2直接三角法中的點(diǎn)結(jié)構(gòu)法原理其優(yōu)缺點(diǎn)分析：（1）精度高，但測量耗時（2）具有高的信噪比 （3）可以測量較暗的和遠(yuǎn)距離的物體 （4）必須附加二維掃描裝置2. 線結(jié)構(gòu)-光切法原理： 投影器投射片狀光束，其光束稱為片光或者光刀，光刀與被測物體表面相交形成剖面線，探測器接收到的是一條受到三維面形空間調(diào)制的剖面線，解調(diào)接收到的信號就可以得到該剖面線上個點(diǎn)的深度數(shù)據(jù)Z。 其測量原理和上述1中的（c）情況相同，照射的光束不再是點(diǎn)光束而是

9、線光束，在此不再論述。3. 面結(jié)構(gòu)-二元編碼投影法原理： 當(dāng)投射的光條在時間或空間進(jìn)行編碼時,構(gòu)成編碼圖像投影法。采用時間或空間編碼的二維光學(xué)圖樣投影,能夠大大提高測量速度。將編碼的二維圖像投影到被測物體上，通過探測器拍攝物體表面被調(diào)制后的圖案，將其相位信息進(jìn)行解調(diào)，由相位和高度的關(guān)系算出相應(yīng)的高度值Z。優(yōu)點(diǎn)：信號處理簡單可靠,無需復(fù)雜的條紋分析就能唯一確定各個測量點(diǎn)的絕對高度信息,自動分辨物體的凸凹。缺點(diǎn)：精度不是特別高,不能實(shí)現(xiàn)全場測量。2.1.4相位測量法：相位測量式輪廓測量技術(shù)是將光柵圖樣投影到物體表面,變形光柵像可以認(rèn)為是由于三維物面對投影柵像的相位和振幅進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果.關(guān)于相位測量

10、的方法13還可以進(jìn)行細(xì)分為：（1） 莫爾輪廓術(shù)：基本原理是利用一個基準(zhǔn)光柵與投影到三維物體表面上，并受表面高度調(diào)制的變形光柵疊合形成莫爾條紋。分析莫爾條紋就可以得到物體的深度信息。其優(yōu)缺點(diǎn)：對整幅圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以很快、很容易地測量整個物體的形貌,它的精度與三角法相當(dāng)。但莫爾法要求被測物表面深度不能太大,不能在自然光背景下工作。（2） 相位測量輪廓術(shù)：采用正弦光柵或準(zhǔn)正弦光柵投影和相移技術(shù)。投影一個正弦光柵到物體表面時,從成像系統(tǒng)可以獲得受該物體表面面形調(diào)制的變形條紋,條紋的變形由其相位分布的變化得到體現(xiàn)。物體的高度信息被編碼在變形光柵的相位信息中,如果能夠正確得到某一點(diǎn)的相位值,就可以

11、獲得該點(diǎn)對應(yīng)的高度值。其優(yōu)缺點(diǎn)：最大優(yōu)點(diǎn)在于求解物體初相位時是點(diǎn)對點(diǎn)的運(yùn)算,即在原理上某一點(diǎn)的相位值不受相鄰點(diǎn)光強(qiáng)值的影響,從而避免了物面反射率不均勻引起的誤差,測量精度可高達(dá)到幾十分之一到幾百分之一個等效波長。需要精密的相移裝置和標(biāo)準(zhǔn)的正弦光柵,相移不準(zhǔn)和光場的非正弦性會引人測量誤差,同時,必須進(jìn)行可靠的相位展開。（3） 傅里葉變換輪廓術(shù)：與相位測量輪廓術(shù)類似,但它只需要采集一幀或兩幀變形條紋圖。對獲得的條紋圖進(jìn)行傅里葉分析、濾波、逆傅里葉變換、相位展開等處理后就能得到物體表面的三維數(shù)據(jù)。其優(yōu)缺點(diǎn)：具有比傳統(tǒng)莫爾技術(shù)更高的靈敏度,并全自動區(qū)分物體表面的起伏變化,對條紋階次和內(nèi)插數(shù)的設(shè)置沒有要

12、求,沒有由光柵圖形的高次諧波成分產(chǎn)生的假莫爾條紋所引起的誤差。數(shù)據(jù)處理量小,適用于實(shí)時和動態(tài)測量,但需保證各級頻譜之間不混疊,從而限制了測量范圍,與相位測量輪廓術(shù)相比測量精度相對較低。（4） 空間相位檢測：將投影到物體表面且受物體面形調(diào)制的變形條紋看作是對具有恒定空間頻率即載頻的條紋再加上一個相位調(diào)制,它把一個條紋周期 內(nèi)的相位調(diào)制分布當(dāng)作是線性分布,也是只利用一幀條紋圖就可以計(jì)算相位。其優(yōu)缺點(diǎn)：測量速度快,所需時間大約是傅里葉變換輪廓術(shù)的幾分之一且受條紋的非正弦性影響較小,但對相位的計(jì)算精度比相位測量輪廓術(shù)要低,當(dāng)物體存在缺陷時,缺陷處的相位跳變過大時將產(chǎn)生較大的誤差。相位測量原理：16AB

13、=s 圖3相位測量原理圖第一步：高度計(jì)算 （式2-6） （式2-7） （式2-8） （式2-9） （式2-10）第二步：相位提取 （式2-11）（式2-12） （式2-13） （式2-14） （式2-15） （式2-16）第三步：由相位算出高度由式2-16算出每一點(diǎn)的相位，再將所有的相位全部展開，再由式2-10計(jì)算出相應(yīng)的高度值，由所有的高度值即可進(jìn)行重新構(gòu)建（恢復(fù)）空間三維形貌。2.1.5調(diào)制度測量輪廓術(shù)：完全基于投影到待測物面上的正弦條紋的調(diào)制度分布,并且投影方向和探測方向一致,所以可以實(shí)現(xiàn)對物體的垂直測量；不用求解相位和相位展開,可以測量物體表面高度劇烈變化或不連續(xù)的區(qū)域。利用相移技術(shù)或

14、傅里葉變換計(jì)算物面上各點(diǎn)的調(diào)制度,然后將投影系統(tǒng)在縱深范圍內(nèi)移動N次,得到N幀調(diào)制度圖,再找出每一個像素點(diǎn)調(diào)制度最大值的位置,由此位置就可計(jì)算出此像素點(diǎn)的高度值。(1) 測量原理： 物體表面變形光柵可表示為： （式2-17）則對應(yīng)的調(diào)制度函數(shù)為： （式2-18）光柵像位置與調(diào)制度分布的關(guān)系：圖4投影光柵像的調(diào)制度分布調(diào)制度計(jì)算的方法： （式2-19）(2) 測量系統(tǒng)： 圖5調(diào)制度測量輪廓術(shù)測量系統(tǒng)裝置圖(3) 其優(yōu)缺點(diǎn)： 非接觸、不需相位展開、可測不連續(xù)表面； 速度慢、計(jì)算量大、精度不夠高。2.2 被動三維傳感：采用非結(jié)構(gòu)照明方式。被動視覺檢測利用自然光源（非結(jié)構(gòu)照明方式），不需特殊的照明，通

15、過從一個或多個攝像系統(tǒng)從不同的位置攝取被測物二維圖像，利用圖像中的某些特征建立它們的關(guān)系，從而獲取實(shí)際物體的位置或尺寸信息。根據(jù)測量系統(tǒng)中攝像機(jī)的數(shù)目進(jìn)行分類，可以分為三類：（1）單目攝像機(jī)移動法（2）雙目立體視覺法（3）多目立體視覺法2.2.1單目攝像機(jī)移動法： 原理：被測物不動，移動攝像機(jī)在不同位置攝取物體圖像，利用已知的不同位置攝像機(jī)間的關(guān)系，求取被測物的位置或尺寸信息。攝像機(jī)移動方向被測物攝像機(jī) 圖6單目攝像機(jī)移動法原理示意圖優(yōu)缺點(diǎn)分析：（1） 結(jié)構(gòu)簡單，相機(jī)標(biāo)定也簡單；（2） 避免了立體視覺中的視場小，特征點(diǎn)匹配難等不足；（3） 需要多次多點(diǎn)多角度拍攝，用時較長；（4） 系統(tǒng)的測量精

16、度主要受攝像機(jī)或物體移動位移精度的影響 。2.2.2雙目立體視覺法：原理：攝像機(jī)1和攝像機(jī)2相對位置固定，與被測物構(gòu)成三角形，被測物被測物在兩像面上形成立體像對，根據(jù)匹配的像點(diǎn)，依據(jù)體視差（Stereo Disparity）原理來獲取被測物體的三維輪廓。攝像機(jī)攝像機(jī) 圖7雙目立體視覺法測量原理示意圖P(X,Y,Z)z1z2Bx1x2y2y1O1O2p1p2被測物攝像機(jī)1攝像機(jī)2視差 （式2-20）其測量系統(tǒng)：CCD攝像機(jī)CCD攝像機(jī)投影儀計(jì)算機(jī)圖像采集卡圖像采集卡監(jiān)控器 監(jiān)控器圖8雙目立體視覺測量系統(tǒng)組成優(yōu)缺點(diǎn)分析：（1） 直觀、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度較高（2） 多幅圖像上同名點(diǎn)的搜索及自動匹配較

17、為困難 2.2.3多目立體視覺法：為減少圖像特征匹配的多義性，在雙目立體視覺的基礎(chǔ)上，增加一臺或多臺輔助攝像機(jī)構(gòu)成多目體視法。攝像機(jī)的增加，減少了因目標(biāo)特征模糊而產(chǎn)生的誤匹配現(xiàn)象，但計(jì)算量也相應(yīng)地增加。 被測物輔助攝像機(jī)攝像機(jī)2攝像機(jī)1圖9多目立體視覺測量原理示意圖3 主要應(yīng)用領(lǐng)域及現(xiàn)狀3.1 工業(yè)應(yīng)用光學(xué)三維傳感技術(shù)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和現(xiàn)代工業(yè)，將三維光學(xué)傳感原理應(yīng)用到視覺測量之后，檢測、自動引導(dǎo)、識別等技術(shù)發(fā)生了革命性突飛猛進(jìn)。計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)易于同設(shè)計(jì)信息及加工控制信息集成，具有非接觸性、檢測速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。早在上世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)視覺檢

18、測技術(shù)在美國制造業(yè)中就得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用最為廣泛的是那些重復(fù)性檢測相同部件或產(chǎn)品的場合。電子工業(yè)是計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用最活躍、最為成功的行業(yè)，其中印刷電路板和集成電路芯片的自動檢測已廣泛采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。其它工業(yè)如汽車、木材、紡織和包裝等也都有各自專用的計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)。如下將列舉其典型應(yīng)用。結(jié)構(gòu)光三維視覺在工業(yè)中的應(yīng)用17可以分為兩大方面: 視覺檢測與視覺導(dǎo)引。視覺檢測主要是使用圖象或圖象的部分與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較, 以達(dá)到檢測的目的。視覺檢測已成功地應(yīng)用于電子、汽車、紡織、機(jī)械加工等現(xiàn)代工業(yè)中。視覺導(dǎo)引主要是使用圖象處理的方法來導(dǎo)引機(jī)器人克服故障等及發(fā)現(xiàn)最佳的路徑。3.1.1 視覺檢測轎車白

19、車身結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測系統(tǒng)硬件框圖如圖10所示,圖中略去了用于支撐測頭的剛性框架。首先車體由生產(chǎn)線上的傳送系統(tǒng)自動地送入在線測量系統(tǒng),定位傳感器將車體的真實(shí)位置送入計(jì)算機(jī)控制器中。計(jì)算機(jī)控制器根據(jù)已編好的測量程序自動地控制每一個視覺測頭對車體的的關(guān)鍵部位進(jìn)行測量。測量白車身( body-in-white)的32個關(guān)鍵部位大約只需要20s。計(jì)算機(jī)控制器能儲存全部的測量結(jié)果,并根據(jù)其測量結(jié)果來自動地分析生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況,及時地顯示及預(yù)報可能出現(xiàn)的事故。實(shí)際上，該系統(tǒng)是一多視覺系統(tǒng)。所有視覺測頭共享一個圖象數(shù)據(jù)采集卡，多個視覺測頭信號之間的“競爭”是靠多路選擇器由程序設(shè)置解決, 圖象采集卡的利用率是

20、相當(dāng)?shù)母?。I/ O 接口卡完成數(shù)據(jù)的輸入輸出、地址分配和譯碼。近年來，美國、日本等一些國外汽車公司的現(xiàn)代化生產(chǎn)線上均采用這種新型全自動三維視覺在線測量系統(tǒng)，國內(nèi)也正在開展這方面的研究工作。三維視覺在線測量系統(tǒng)可以使車體關(guān)鍵尺寸在線數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及預(yù)警自動化，可實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品百分之百的在線測量。與三坐標(biāo)測量機(jī)相比，它具有在線、省時、省人工、自動化程度高及測量成本低等優(yōu)點(diǎn)。圖10轎車白車身結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測系統(tǒng)硬件框圖3.1.2 視覺引導(dǎo)（1）在裝配機(jī)器人中的應(yīng)用 使用三維視覺系統(tǒng)來測量工件的準(zhǔn)確位置,并基于測量結(jié)果來修改機(jī)器人的運(yùn)動軌跡,從而提高機(jī)器手安裝精度,提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低制造成本。例

21、如，在機(jī)器人安裝汽車擋風(fēng)玻璃的應(yīng)用中,操作過程如下:首先,四個視覺測頭向擋風(fēng)窗的四周發(fā)射激光束,根據(jù)其成象,三維視覺系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可以自動測量出擋風(fēng)窗四周的準(zhǔn)確三維位置,并根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出機(jī)器人應(yīng)走的最佳路線。然后將計(jì)算結(jié)果輸入機(jī)器人控制器中,機(jī)器人根據(jù)接收到的信息將擋風(fēng)玻璃準(zhǔn)確地送入擋風(fēng)窗中。（2）在弧焊機(jī)器人中的應(yīng)用 目前，焊接機(jī)器人應(yīng)用得較多的就是結(jié)構(gòu)光方法。當(dāng)攝象機(jī)攝取經(jīng)變形的結(jié)構(gòu)光之后，系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)需要檢測出每條光紋的畸變處，比如斷點(diǎn)或最大曲率點(diǎn)。象這些畸變反映了焊縫的形狀，當(dāng)光源的位置已知時，就能求出焊縫的實(shí)際三維位置。圖11即為V型槽焊縫及其光紋圖象。圖11V 型槽焊縫及其光

22、紋圖象 在工程方面也有相關(guān)的研究和應(yīng)用，比如，在基于傅立葉變換輪廓術(shù)的動態(tài)三維面形測試原理的基礎(chǔ)上，將學(xué)三維傳感技術(shù)和傳統(tǒng)的高速攝影測試技術(shù)相結(jié)合的思想應(yīng)用到?jīng)_擊與爆轟領(lǐng)域的研究18。工業(yè)方面還有比較成功的應(yīng)用就是講三維掃描技術(shù)應(yīng)用于服裝工業(yè)，最早的運(yùn)用是在軍用服裝上，美國Armstrong實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)將Cyberware的三維掃描儀用于為高級戰(zhàn)斗機(jī)飛行員設(shè)計(jì)服裝。3.2 農(nóng)業(yè)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面，將三維傳感技術(shù)或系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行農(nóng)業(yè)相關(guān)的除雜草19、除害蟲、農(nóng)作物種子質(zhì)量檢驗(yàn)、摘瓜果、管理蔬菜或者其他農(nóng)作物。例如，農(nóng)業(yè)中的部分應(yīng)用20就是：基于視覺傳感原理的距離檢測技術(shù), 基于視覺傳感原理

23、的工作對象特征識別技術(shù)和基于視覺傳感原理的運(yùn)動導(dǎo)航技術(shù)。如將基于雙目立體視覺的測距方法可應(yīng)用于葡萄和番茄采摘機(jī)器人, 配備激光光源和紅外光源的測距系統(tǒng)可在室外有效抵抗日光變化對檢測結(jié)果的影響。相對于工業(yè)機(jī)器人而言, 應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)機(jī)器人其工作環(huán)境和工作對象更加復(fù)雜, 需要更加高級的計(jì)算機(jī)視覺傳感系統(tǒng)與之相匹配。農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)的主要任務(wù)包括:1)確定機(jī)器人或其執(zhí)行機(jī)構(gòu)與工作對象(植物或動物)之間的相對距離；2)確定工作對象的品質(zhì)、形狀和尺寸；3)機(jī)器人行走運(yùn)動的視覺導(dǎo)航。Parrish和Goksel在用計(jì)算機(jī)視覺去識別和定位樹上的水果方面的研究取得了一定的成功。在日本和許多歐

24、美國家, 視覺測距方法已被成功地應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的位置檢測?；谝曈X傳感原理的距離檢測方法中最常用的方法是雙目立體視覺方法，通過雙目視覺傳感器所獲得的兩幅圖像,便可計(jì)算出物體在三維空間中的位置。其基本原理見所前面介紹。農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)需要解決一些特殊的問題, 例如對水果位置的檢測,就涉及一些復(fù)雜因素。水果具有不同的外形、大小和顏色,尤其是其在果樹上出現(xiàn)的位置是隨機(jī)的,而對于果樹來說,又有不同的高度、排列和樹形結(jié)構(gòu),同時采摘動作和風(fēng)的作用會使水果和樹枝產(chǎn)生不斷的晃動,另外, 雨、灰塵、濕度和光照等環(huán)境因素的影響,樹葉和樹枝的遮擋等等因素都會對水果的位置的檢測帶來很大困難?；谒砻娴姆瓷涔庾V有利

25、于識別水果果實(shí)、樹葉和樹枝。大量研究表明,根據(jù)水果表面反射光譜的不同,可分為兩類,一類在7001100nm波段比葉子具有更高的反射系數(shù),而另一類則比葉子的反射系數(shù)要低。造成這種差別的原因是由于水果表面水分量的差異,后者大都是多汁水果,如圖12所示。柑橘類水果、蘋果、西紅柿等，其果實(shí)和葉子的反射光譜特性的差異是顯而易見的，因此， 可以使用彩色CCD攝像機(jī)來進(jìn)行的識別。彩色CCD攝像機(jī)可以同時獲取R、G、B三個分量的二維灰級圖像，并根據(jù)被識別對象外表的光學(xué)特征，選擇其中一個、兩個或三個分量的圖像作為特征識別的信號來源。圖12水果果實(shí)、花、葉和樹干的光譜特性利用光譜特性分割果實(shí)與葉子是一種有效的方法

26、,但必須找到一組能夠進(jìn)行有效分割的色彩特征。色彩在一副很亮或者很暗圖像上很難辨別,因此,必須設(shè)計(jì)受光照影響較少的系統(tǒng)才實(shí)用。研究表明, 通過夜間獲取的圖像,避開陽光的干擾,可以獲得很高的水果識別效率。水果識別問題的研究已經(jīng)取得了非常重大的進(jìn)展，比如,根據(jù)蘋果樹的反射光譜特性,選擇敏感波長的激光作為主動光源,在步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動下進(jìn)行掃描,利用果樹對激光的反射差異實(shí)現(xiàn)果實(shí)識別,利用三角測量原理實(shí)現(xiàn)果實(shí)定位21。除了有摘的蘋果機(jī)器人，還有摘桔子的機(jī)器人和摘黃瓜的機(jī)器人，如13圖所示。圖13摘桔子的機(jī)器人（左）和摘黃瓜的機(jī)器人（右）從總體上來看,鑒于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境和工作對象較工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多

27、,農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)遠(yuǎn)不如工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展得成熟,由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的特殊性,目前還沒有普及,但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；⒍鄻踊⒕_化發(fā)展, 以及逐步出現(xiàn)的農(nóng)業(yè)勞動力不足的問題,可以預(yù)計(jì),隨著信息技術(shù)和三維傳感技術(shù)以及三維光學(xué)傳感技術(shù)向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的滲透,農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的日趨成熟,農(nóng)業(yè)機(jī)器人將越來越多地進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。各類視覺傳感技術(shù)對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)際均會發(fā)揮著重要作用,它們也會隨著農(nóng)業(yè)機(jī)器人的普及得到發(fā)展。3.3 醫(yī)學(xué)應(yīng)用三維光學(xué)傳感技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用也是比較多的，比如人臉檢測14、人臉三維測量22、口腔醫(yī)學(xué)，醫(yī)學(xué)影像學(xué)等方面都有所應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)上對軟

28、組織表面的三維影像的定量重建比較困難，尤其是對比較復(fù)雜的人臉面部容貌的三維重建，因此目前在國內(nèi)外開展的研究大多是基于CT數(shù)據(jù)的骨骼組織的三維重建。楊斌等利用CT數(shù)據(jù)進(jìn)行了顱面結(jié)構(gòu)三維可視化和顱面手術(shù)整形仿真模擬的研究.這種基于CT,數(shù)據(jù)的骨骼組織的三維重建技術(shù),只能針對骨組織的畸變或缺損的情況,在顱面整形和牙領(lǐng)面畸形矯治等方面應(yīng)用較多。軟組織表面形態(tài)是整形美容外科手術(shù)效果的最直觀、最有說服力的表現(xiàn)形式。包柏成等根據(jù)容貌正側(cè)面的二維圖像建立了容貌軟組織的計(jì)算機(jī)輔助分析系統(tǒng)。但人臉是一個塑變體,人臉的不確定性,使得通過二維圖像識別技術(shù)對人臉測量的實(shí)施帶來困難.只有三維圖像數(shù)據(jù)才能真實(shí)地反映人臉表面

29、的完整信息?？梢岳每焖傧嘁品y量準(zhǔn)靜態(tài)的人臉形貌。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用的三維測量技術(shù)23大致如下：（1） 三維CT測量技術(shù)(Computed tomography)：原理是通過薄層掃描后將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)工作站并用相應(yīng)的軟件進(jìn)行三維重建。三維CT重建所獲得的是立體圖像具有清晰逼真、可以任意角度旋轉(zhuǎn)、切割、直觀地顯示顱面各個部位、以及周圍解剖結(jié)構(gòu)間的位置關(guān)系等優(yōu)點(diǎn)，較普通X射線平片和二維CT影像有更高的診斷價值，但掃描時間長、患者接受的射線量較大、口腔內(nèi)的金屬物(如銀汞充填體、金屬冠、固定矯治器)可能產(chǎn)生偽影，尚不能作為一種常規(guī)的檢查方法。在2009年閆晉等人就建立了一種運(yùn)用三維CT影像對面部不對稱

30、畸形進(jìn)行測量分析的方法。（2） 錐束CT 測量技術(shù)(cone beam computed tomography,CBCT)：該系統(tǒng)只需要圍繞受檢者旋轉(zhuǎn)360°，既可獲取三維信息也可以根據(jù)需要利用壓縮或斷層技術(shù)獲得11比例的、沒有兩側(cè)或前后結(jié)構(gòu)的重疊的清晰的全景片、頭顱側(cè)位片及前后位片。具有掃描范圍靈活、圖像精確、成像迅速、放射劑量少、偽影少、能更好的集中射線等優(yōu)點(diǎn)。與全身CT相比，軟組織分辨率低是CBCT的主要缺陷，金屬充填物產(chǎn)生的偽影也是臨床應(yīng)用中不可避免的問題。在2009年Cho等人為了更準(zhǔn)確地三維測量頜骨，牙弓及牙根的各項(xiàng)指標(biāo)建立了CBCT三維的頭影測量坐標(biāo)系及測量項(xiàng)目。（3）

31、 三維激光掃描測量技術(shù)(3-Dimension laser scanning technology，3-DLST)：該技術(shù)基本原理是應(yīng)用激光三角測距法，是國際上最先進(jìn)的模型及軟組織立體測量方法。具有掃描時間短、掃描及測量精確度和可重復(fù)性高、抗干擾能力強(qiáng)、立體重構(gòu)快捷、逼真、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。在2008年劉松林等人用Roland LPX 1200點(diǎn)激光掃描儀獲取規(guī)則加工的仿牙模具的數(shù)字化模型。（4） 近景立體攝影技術(shù)(Stereophotogrammetry)：該技術(shù)運(yùn)用雙目視覺的原理，用照相機(jī)或攝像機(jī)從不同角度攝取立體像，繼而對立體像進(jìn)行技術(shù)處理，并輸入計(jì)算機(jī)，用相關(guān)軟件進(jìn)行處理和分析得出三維

32、定量資料。具有非介入、操作簡便、價格低廉、直觀逼真、獲取圖像數(shù)據(jù)速度快、可以減少測量時由于被測對象移動所帶來的誤差等優(yōu)點(diǎn)，尤其不存在CT 和激光掃描的輻射及損害眼睛等問題，在整個治療過程中可重復(fù)拍攝，遂被廣泛用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)形態(tài)測量領(lǐng)域成為一種劃時代的方法。該方法設(shè)備昂貴，數(shù)據(jù)處理過程較復(fù)雜，需專業(yè)人員完成，還存在一些技術(shù)和分析軟件上的問題。（5） 結(jié)構(gòu)光技術(shù)(Structured Light Teqnique)：該技術(shù)是用三角測量原理捕獲三維信息的系統(tǒng)。即投影儀發(fā)射結(jié)構(gòu)光圖像至物體表面，當(dāng)光照亮物體時，光圖形會變形，此時已知距離的照相機(jī)以一定的角度捕獲反射出來的變形光圖形并將其轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)

33、信息，是精確，可靠的面部軟組織形態(tài)的測量方法。（6） 核磁共振系統(tǒng)(Magnetic Resonance Imaging)：該系統(tǒng)是由巨大的柱形電磁體組成，其裝有連于傳送器和電磁波接收器的螺旋管。患者一般處于系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場和射頻脈沖內(nèi)，這導(dǎo)致組織內(nèi)氫原子的極化，隨后的去極化會產(chǎn)生射線(類似于電磁波)，收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維影像并用于分析。該技術(shù)用于頭頸部的效果好，相對安全，特別是對軟組織細(xì)微特征具有超強(qiáng)的分辨能力，可以彌補(bǔ)CT的不足。但戴固定矯治器的患者進(jìn)行MRI掃描可能會使其 失真。在醫(yī)學(xué)方面，三維測量技術(shù)作為一種理想的牙合模型及口腔軟硬組織的測量方法，盡管受經(jīng)濟(jì)條件等因素的制約，在臨床普

34、及應(yīng)用還需一段時間。但可隨著計(jì)算機(jī)軟件和醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展 ，三維測量技術(shù)會變得更精確、快捷、簡便、價廉，最終會取代現(xiàn)有的二維頭影測量系統(tǒng)。3.4 影視、游戲應(yīng)用三維光學(xué)傳感技術(shù)，三維掃描技術(shù)在影視、游戲領(lǐng)域的應(yīng)用可以說是作用發(fā)揮的最大也是最明顯的地方，使這兩個領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)生了從二維畫面到三維的震撼場景革命性的突破。3.4.1影視特效應(yīng)用 最能發(fā)揮三維掃描技術(shù)作用的恐怕要數(shù)影視特技制作領(lǐng)域了。隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)影視特技技術(shù)也越來越廣泛地應(yīng)用于影視、廣告業(yè),給人們帶來了全新的視覺感受,實(shí)現(xiàn)了過去無法想像的特技效果,已經(jīng)成為高質(zhì)量影視、廣告制作中不可缺少的手段。在影視制作的許

35、多情況下,都需要對特定的真實(shí)演員形象進(jìn)行三維特技處理,制作一個真實(shí)、復(fù)雜物體的三維特技效果,對于這類真實(shí)的、復(fù)雜的物體(例如人的頭部或藝術(shù)品)是很難用軟件制作出三維模型的。相信看過電影侏羅紀(jì)公園如圖14所示，一定會對影片中的那些活靈活現(xiàn)的恐龍會感到疑惑，對于大恐龍穿墻而過、以假亂真的場面可能記憶猶新，這就是光學(xué)三維傳感的魅力。在其特技制作中，技術(shù)人員先雕刻好一個恐龍的模型，然后用光學(xué)三維傳感方法三維彩色掃描儀掃描得到恐龍的三維彩色數(shù)字模型，再用三維動畫軟件使其做出各種動作，并完成與背景、人物的合成，最后形成我們看到的驚心動魄的場面。而且三維彩色掃描還可以利用紋理貼圖技術(shù)得到物體的表面色彩紋理,

36、甚至還可以將一個物體的色彩紋理圖貼在另一個物體上,例如,在美國經(jīng)典影片毀滅者中,施瓦辛格附在飛機(jī)的翅膀上,而在現(xiàn)實(shí)制作中是不可能實(shí)現(xiàn)的。有了三維掃描儀,你只需將施瓦辛格進(jìn)行掃描,得到他的三維圖像,再對飛機(jī)模型進(jìn)行三維掃描建模,在計(jì)算機(jī)里將兩者進(jìn)行后期制作,附在一起,一個驚險的動作就完成了。這不但大大地提高了制作水平和藝術(shù)效果,同時也節(jié)約了制作費(fèi)用和制作時間。圖14光學(xué)三維傳感技術(shù)在影視中的應(yīng)用3.4.2 游戲特效應(yīng)用在游戲的制作時，3D游戲的特效一般都有：彈痕、建模細(xì)節(jié)、貼圖細(xì)節(jié)、水紋細(xì)節(jié)、全景光效、景深、陰影、火光特效、煙霧柔化、動態(tài)光影等，在制作軟件方面有：3ds Max，還包括Maya,

37、Zbrush,Mudbox,Cinema4D,Modo,MotionBuild,Softimage,Lightwave3D等，利用光學(xué)三維傳感技術(shù)獲取人物模型，以及游戲場景，再利用軟件進(jìn)行后期處理和特效制作。圖15光學(xué)三維傳感技術(shù)在游戲中的應(yīng)用除此之外，還將光學(xué)三維傳感技術(shù)和全息技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于三維電視機(jī)和三維電影的研究和設(shè)計(jì)之中，理論技術(shù)已經(jīng)完全具備，出于生成設(shè)計(jì)的技術(shù)原因還沒有制造出真實(shí)的基于全息技術(shù)的三維電視機(jī)和三維電影，相信不久之后基于全息技術(shù)的三維電視機(jī)和三維電影將會出現(xiàn)在我們的生活之中，成為電視和電影業(yè)跨時代性的突破。3.5 文物、藝術(shù)品的保護(hù)應(yīng)用對于文物和藝術(shù)品的保護(hù)如圖16、17

38、、18所示,三維光學(xué)傳感技術(shù)能以不損傷物體的手段,獲得文物的外形尺寸和表面色彩、紋理,得到三維彩色拷貝。所記錄的信息完整全面,而不是像照片那樣僅僅是兒個側(cè)面的圖像,且這些信息便于長期保存、復(fù)制、再現(xiàn)、傳輸、查閱和交流,使研究者能夠在不直接接觸文物的情況下,對其進(jìn)行直觀的研究,這些都是傳統(tǒng)的照相等手段所無法比擬的。有了這些信息,也給文物復(fù)制帶來很大的便利。圖16文物保護(hù)（一）圖17文物保護(hù)（二）圖18藝術(shù)雕像保護(hù)除了可以將光學(xué)三維傳感技術(shù)應(yīng)用于文物、藝術(shù)品的保護(hù)之外還可以用于古建筑的保護(hù)，將更多的有價值的東西以數(shù)字信息記錄方式將其三維信息保存下來，供人類以后的研究，或者為其他設(shè)計(jì)所服務(wù)。4 未來

39、展望雖然現(xiàn)在還有很多技術(shù)不能應(yīng)用于生產(chǎn)、生活之中，但是隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)以及其他科學(xué)的發(fā)展，我們相信不久的將來，我們還可以將光學(xué)三維傳感技術(shù)應(yīng)用于以上未提及的其他諸多領(lǐng)域。我們希望再過幾十年，能夠看到清晰的三維全息電視、電影。將來的光學(xué)三維傳感技術(shù)獲取的信息不僅僅是物體的表面信息，還能夠獲取被測物體豐富的內(nèi)部信息，建立起完整的三維數(shù)據(jù)信息庫。完整的三維數(shù)據(jù)信息庫的建立應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，建立起病人的三維病況數(shù)據(jù)庫以供醫(yī)生為病人做出診斷、提供治療方案服務(wù)；若將其技術(shù)應(yīng)用于通信領(lǐng)域也許會大大提高通信的速度、總體效率，如果將其應(yīng)用于生物領(lǐng)域，可以將一個生物體的所有信息都記錄下來，供以后人工重新構(gòu)

40、造新的生物體，起到保護(hù)瀕危物種；還可以應(yīng)用于安全檢查、識別場合等為人類服務(wù)。參考文獻(xiàn)：1T.C. Strand. Optical three-dimensional sensing for machine vision. Opt.Eng,1985,24(1):33.2J.A. Jarikio, R .C. Kim, S. K. Case. Three-dimensional inspection using multi-stripe structured light, Opt. Eng. 1985, 24(6):9663Frank Chen, G. M, Brown, Mumin Song. Overview of three-dimensional shape measurement using