光學(xué)三維測量技術(shù)綜述

1、光學(xué)三維測量技術(shù)綜述1 .引言客觀景物三維信息的獲取是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、 三維重建以及三維成像技術(shù)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，被測物體的三維信息的快速、準(zhǔn)確的獲得在虛擬現(xiàn)實(shí)、逆向工程、 生物與醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用1三維測量方法總的包括兩大類，接觸式以及非接觸式。如圖1.1所示*!就咋圖1.1三維測量方法分類接觸式的三維測量方法到目前為止已經(jīng)發(fā)展了很長一段時(shí)間，這方面的技術(shù)理論已經(jīng)非常完善和成熟，所以，在實(shí)際的測量中會有比較高的準(zhǔn)確性。 但是盡管如此，依然會有一些缺點(diǎn)2:(1) 在測量過程中，接觸式測量必須要接觸被測物體，這就很容易造成被測 物體表面的劃傷(2) 接觸式測量設(shè)備在經(jīng)過長時(shí)間的使用之后，測

2、量頭有時(shí)會出現(xiàn)形變現(xiàn) 象，這無疑會對整個(gè)測量結(jié)果造成影響。(3) 接觸式測量要依靠測量頭遍歷被測物體上所有的點(diǎn)，可見，其測量效率還是相當(dāng)?shù)偷慕佑|式三維測量技術(shù)發(fā)展已久， 應(yīng)用最廣泛的莫過于三坐標(biāo)測量機(jī)。 該方法 基于精密機(jī)械，并結(jié)合了當(dāng)前一些比較先進(jìn)技術(shù)，如光學(xué)、計(jì)算機(jī)等。并且該方 法現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用， 特別是在一些復(fù)雜物體的輪廓、 尺寸等信息的精 確測量上。在測量過程中，三坐標(biāo)測量機(jī)的測量頭在世界坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸上 都可以移動， 而且測量頭可以到達(dá)被測物體上的任意一個(gè)位置上， 只要測量頭能 到達(dá)該位置，測量機(jī)就可以得到該位置的坐標(biāo)， 而且可以達(dá)到微米級的測量精度。 但由于三坐標(biāo)機(jī)測

3、量系統(tǒng)成本較高， 加之上述的一些缺點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用還不太現(xiàn)實(shí)。非接觸式三維測量技術(shù)一般通過利用磁學(xué)、 光學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科中的物理量測 量物體表面點(diǎn)坐標(biāo)位置。 核磁共振法、 工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描法、 超聲波數(shù)字化法 等非光學(xué)的非接觸式三維測量方法也都可以測量物體的部及外部結(jié)構(gòu)的表面信 息，且不需要破壞被測物體， 但是這種測量方法的精度不高。 而光學(xué)三維輪廓測 量由于其非接觸性、高精度與高分辨率 ,在 CAD /CAE 、反求工程、在線檢測與 質(zhì)量保證、多媒體技術(shù)、醫(yī)療診斷、機(jī)器視覺等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用,被公認(rèn)是最有前途的三維輪廓測量方法 3 。由于光不能深入物體部， 所以光學(xué)三維測 量只能測量物體

4、表面輪廓， 因此，本文中所言光學(xué)三維測量即指光學(xué)三維輪廓測 量，此后不再單獨(dú)解釋。光學(xué)三維測量技術(shù)總體而言可以分為主動式光學(xué)三維測量和被動式光學(xué)三 維測量，根據(jù)具體的原理又可以分為雙目立體視覺測量法、 離焦測量法、 飛行時(shí) 間法、激光三角法、 莫爾輪廓術(shù)和結(jié)構(gòu)光編碼法等。 下面就剛剛提到的幾種光學(xué) 三維測量技術(shù)的原理進(jìn)行逐一講解2.測量原理2.1被動式光學(xué)三維測量2.1.1雙目立體視覺測量法雙目成像采用視覺原理來獲得同一場景的2幅不同圖像。通過對物體上同一點(diǎn)在2幅圖像上的2個(gè)像點(diǎn)的匹配和檢測，可以得到該點(diǎn)的坐標(biāo)信息。測量原理 如圖2.1.1所示。設(shè)攝像機(jī)基線長為 B,視差定義為D= P1- P

5、2，其中P1、P2為 空間點(diǎn)W(X,Y,Z)在2像面上的投影點(diǎn)，則由幾何關(guān)系可得Z=Bf/ D。計(jì)算出物點(diǎn) 的深度坐標(biāo)后，其它2個(gè)坐標(biāo)可以通過簡單的幾何透視關(guān)系得出。雙目視覺成像 原理簡單，但由于需要在兩幅圖像中尋找對定點(diǎn)的匹配，實(shí)際計(jì)算過程較為復(fù)雜。I麗.X!/ 祕圖2.1.1雙目立體視覺法三維測量原理圖2.1.2離焦測量法離焦測量法根據(jù)標(biāo)定出的離焦模型計(jì)算被測點(diǎn)相對于攝像機(jī)的距離。測量模型如圖2.1.2所示。參考點(diǎn)A成像在像平面上的A點(diǎn),物體表面上的B點(diǎn)成像在B'點(diǎn)，則在像面上形成兩個(gè)像點(diǎn) B1和B2,測出兩點(diǎn)之間的距離則可以得到物體上 點(diǎn)B的坐標(biāo)。鏡頭前擋板上挖的兩個(gè)小孔保證了探

6、測器上最外圍的兩像點(diǎn)是由 軸上物點(diǎn)形成的。離焦測量法避免了尋找精確的聚焦位置，但卻增加了標(biāo)定過程的復(fù)雜性。另外，由于每次只能獲取一個(gè)軸上點(diǎn)的三維坐標(biāo)，所以離焦測量法需要通過二維掃描來完成物體輪廓面上各離散點(diǎn)的坐標(biāo)測量，因此測量效率比較 低。2.2主動式光學(xué)三維測量2.2.1飛行時(shí)間法飛行時(shí)間法（Time of Flight，簡稱TOF）簡單而言就是通過激光或者其他光 源脈沖發(fā)射時(shí)間，通過測量飛行時(shí)間達(dá)到測量的目的，測量系統(tǒng)模型如圖2.2.1所示。該測量方法具體如下：首先利用系統(tǒng)發(fā)射的激光或其他光源脈沖照射被測 物體，通過反射原理到達(dá)系統(tǒng)接收器接收，就可以計(jì)算出激光或者其他光源脈沖的運(yùn)行時(shí)間及距

7、離。通過對被測量物體外部形態(tài)逐步掃描在通過數(shù)據(jù)處理得到物 體的三維原始外貌。該測量方法運(yùn)用激光或者其他光源脈沖飛行時(shí)間進(jìn)行及接收 器的帶寬、靈敏度等進(jìn)行測量，并且時(shí)間間隔的誤差在一個(gè)很小的圍之。因此運(yùn) 用飛行時(shí)間法的測量系統(tǒng)目前誤差已經(jīng)達(dá)到微米級 3為了進(jìn)一步使該系統(tǒng)的測量精度提高，目前比較常用的方法是提高測量系統(tǒng) 工作時(shí)的頻率，同時(shí)可以通過相位調(diào)制的方法。當(dāng)激光束幅度被正弦波調(diào)制時(shí)， 測量系統(tǒng)與被測物體之間的距離就可以由發(fā)射光束和接收光束之間的相位差得到。相位調(diào)制測量方法與脈沖調(diào)制方法相比較要復(fù)雜許多，然而減小了帶寬，而且通過正弦波相位調(diào)制能夠獲得比較大的測量視角。基于飛行時(shí)間法的測量系統(tǒng) 裝置復(fù)雜，并要求配備帶寬大、靈敏性高以和熱穩(wěn)定性好的電子設(shè)備， 因而造價(jià) 偏高，這些因素制約了其實(shí)際應(yīng)用Amp li herlranstrnncr1 Slop pu I Sc+ Stort pulT i tn c/Ph tii ir mvut urcmen t圖2.2.1飛行時(shí)間法原理圖2.2.2激光三角法近年來隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光三角形法逐漸得到廣泛應(yīng)用。它所采用的光源主要有點(diǎn)結(jié)構(gòu)、線結(jié)構(gòu)和雙線結(jié)構(gòu)。其基本原