光學(xué)三維測量技術(shù)與應(yīng)用

1、光學(xué)三維測量技術(shù)與應(yīng)用 梁飛飛梁飛飛13588261149 2 2目錄第一章 三維測量技術(shù)概述第二章 航空三維激光掃描第三章 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用梁飛飛梁飛飛 1388261149 1388261149 梁飛飛梁飛飛13588261149 9 9梁飛飛梁飛飛135882611493 3前言 光學(xué)三維測量技術(shù)是集光、機、電和計算機技術(shù)光學(xué)三維測量技術(shù)是集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的智能化、可視化的高新技術(shù)，于一體的智能化、可視化的高新技術(shù)，主要用于主要用于對物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，體空

2、間外形和結(jié)構(gòu)進行掃描，以得到物體的三維輪廓，獲得物體表面點的三維空間坐標(biāo)。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和獲得物體表面點的三維空間坐標(biāo)。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，光學(xué)三維測量技術(shù)由于科技的進步，光學(xué)三維測量技術(shù)由于非接觸、快速測非接觸、快速測量、精度高量、精度高的優(yōu)點在機械、汽車、航空航天等制造工的優(yōu)點在機械、汽車、航空航天等制造工業(yè)及服裝、玩具、制鞋等民用工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，業(yè)及服裝、玩具、制鞋等民用工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，其中其中三維激光掃描技術(shù)三維激光掃描技術(shù)發(fā)展的最為成熟，應(yīng)用也最為發(fā)展的最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。廣泛。 梁飛飛梁飛飛135882611494 4 三維測量技術(shù)是

3、三維測量技術(shù)是獲取物體表面各點空間坐標(biāo)獲取物體表面各點空間坐標(biāo)的技術(shù)，的技術(shù)，主要包括主要包括接觸式接觸式和和非接觸式測量非接觸式測量兩大類。兩大類。三維測量技術(shù)概述三維測量技術(shù)概述三維掃描測量儀三維掃描測量儀梁飛飛梁飛飛135882611495 51.11.1接觸式測量接觸式測量 物體三維接觸式測量的物體三維接觸式測量的典型代表是三坐標(biāo)測典型代表是三坐標(biāo)測量機量機 (CMM (CMM，Coordinate Measuring Machine)Coordinate Measuring Machine)。它以精密機械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用電子、計算機、它以精密機械為基礎(chǔ)，綜合

4、應(yīng)用電子、計算機、光學(xué)和數(shù)控等先進技術(shù)，能對三維復(fù)雜工件的光學(xué)和數(shù)控等先進技術(shù)，能對三維復(fù)雜工件的尺尺寸、形狀和相對位置進行高精度的測量。缺點寸、形狀和相對位置進行高精度的測量。缺點是是測量速度慢，對環(huán)境要求較高。測量速度慢，對環(huán)境要求較高。 梁飛飛梁飛飛135882611496 67 71.21.2非接觸測量法非接觸測量法 非接觸式三維測量不需要與待測物體接觸，可非接觸式三維測量不需要與待測物體接觸，可以以遠距離非破壞性遠距離非破壞性地對待測物體進行測量，圖地對待測物體進行測量，圖1 1出出非接觸式三維測量技術(shù)中常用的三種電磁波譜和非接觸式三維測量技術(shù)中常用的三種電

5、磁波譜和主要的測量技術(shù)。主要的測量技術(shù)。梁飛飛梁飛飛135882611498 81.2.11.2.1常用的非接觸式三維測量波譜常用的非接觸式三維測量波譜9 91.2.21.2.2常用的光學(xué)三維測量基本原理常用的光學(xué)三維測量基本原理 常用的光學(xué)三維測量基本原理有常用的光學(xué)三維測量基本原理有 3 3 種種 ：飛：飛行時間法、干涉法和三角法行時間法、干涉法和三角法 ( ( 見圖見圖 1) 1)。 飛行時間法飛行時間法 ：飛行時間法是：飛行時間法是基于三維面形對基于三維面形對結(jié)構(gòu)光束產(chǎn)生的時間調(diào)制，結(jié)構(gòu)光束產(chǎn)生的時間調(diào)制，一般采用激光，通過一般采用激光，通過測量光波的飛行時間

6、來獲得距離信息測量光波的飛行時間來獲得距離信息，結(jié)合附加，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)。到三維數(shù)據(jù)。 以對信號檢測的以對信號檢測的時間分辨率時間分辨率來換取來換取距離測量距離測量精度精度，常用于，常用于大尺度遠距離大尺度遠距離的測量。的測量。梁飛飛梁飛飛135882611491010 干涉法干涉法 ：干涉測量是將一束相干光通過分光系統(tǒng)：干涉測量是將一束相干光通過分光系統(tǒng)分成分成測量光和參考光測量光和參考光，利用測量光波與參考光波，利用測量光波與參考光波的的相干疊加相干疊加來確定兩束光之間的來確定

7、兩束光之間的相位差相位差，從而獲，從而獲得物體表面的得物體表面的深度信息深度信息。 特點：測量精度高但測量范圍受到光波波長的限特點：測量精度高但測量范圍受到光波波長的限制，只能測量微觀表面的制，只能測量微觀表面的形貌和微小位移形貌和微小位移，不適，不適于大尺度物體的檢測。于大尺度物體的檢測。梁飛飛梁飛飛135882611491111 光學(xué)三角測量法光學(xué)三角測量法 ：光學(xué)三角法是：光學(xué)三角法是最常用最常用的一種光的一種光學(xué)三維測量技術(shù)，以傳統(tǒng)的三角測量為基礎(chǔ)，通學(xué)三維測量技術(shù)，以傳統(tǒng)的三角測量為基礎(chǔ)，通過過待測點相對于光學(xué)基準(zhǔn)線偏移產(chǎn)生的角度變化待測點相對于光學(xué)基準(zhǔn)線偏

8、移產(chǎn)生的角度變化計算該點的深度信息。計算該點的深度信息。 梁飛飛梁飛飛1358826114912122.航空三維激光掃描 三維激光掃描系統(tǒng)按照掃描平臺的不同分為三維激光掃描系統(tǒng)按照掃描平臺的不同分為 ：航航空激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式空激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。激光掃描系統(tǒng)。 航空激光掃描系統(tǒng)一般采用航空激光掃描系統(tǒng)一般采用激光測距原理激光測距原理，輔以，輔以掃描系統(tǒng)獲取所需的三維信息，系統(tǒng)主要由激光掃描系統(tǒng)獲取所需的三維信息，系統(tǒng)主要由激光測距系統(tǒng)、光電掃描儀及控制處理系統(tǒng)等組成。測距系統(tǒng)、光電掃描儀及控制處理系統(tǒng)等組成。梁

9、飛飛梁飛飛1358826114913132.1激光測距原理目前最常用的激光測距法有目前最常用的激光測距法有脈沖法脈沖法和和相位法相位法。 脈沖式激光測距原理脈沖式激光測距原理：z=ct/2 ，其中，其中C為光速，為光速，t為間隔時間。為間隔時間。相位激光測距原理：相位激光測距原理：從測距儀發(fā)出的光波經(jīng)反射器從測距儀發(fā)出的光波經(jīng)反射器反射再返回測距儀，然后由測距儀的測相系統(tǒng)對光反射再返回測距儀，然后由測距儀的測相系統(tǒng)對光波往返一次的相位變化進行測量，經(jīng)過計算后可以波往返一次的相位變化進行測量，經(jīng)過計算后可以得到距離信息。這種測距儀都配置被稱為合作目標(biāo)得到距離信息。這種測

10、距儀都配置被稱為合作目標(biāo)的的反射鏡，反射鏡， 一般應(yīng)用于精密測距中。一般應(yīng)用于精密測距中。 梁飛飛梁飛飛1358826114914142.2航空三維激光掃描1515 航空三維激光掃描與攝影測量技術(shù)是航空三維激光掃描與攝影測量技術(shù)是將三維激光掃描將三維激光掃描儀和航空攝像機裝載在飛機上，利用激光測距原理和航空儀和航空攝像機裝載在飛機上，利用激光測距原理和航空攝影測量原理，快速獲取大面積地球表面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)攝影測量原理，快速獲取大面積地球表面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)。通過基于全球定位系統(tǒng)通過基于全球定位系統(tǒng)(GPS) (GPS) 和慣性測量裝置和慣性測量裝置 (IMU) (IMU

11、) 的機載定位定向系統(tǒng)的機載定位定向系統(tǒng)(POS) (POS) 聯(lián)接，構(gòu)成當(dāng)今世界上攝影測聯(lián)接，構(gòu)成當(dāng)今世界上攝影測量與遙感領(lǐng)域最先進的量與遙感領(lǐng)域最先進的 LIDAR (Lisht Detection and LIDAR (Lisht Detection and Ranger) Ranger) 對地觀測系統(tǒng)。對地觀測系統(tǒng)。 航空三維激光掃描系統(tǒng)一般由四個子系統(tǒng)組成航空三維激光掃描系統(tǒng)一般由四個子系統(tǒng)組成：激光雷達發(fā)射接收系統(tǒng)，定位系統(tǒng)，數(shù)據(jù)獲取、控制、激光雷達發(fā)射接收系統(tǒng)，定位系統(tǒng)，數(shù)據(jù)獲取、控制、顯示系統(tǒng)，基于地面的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)，基于地面的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。梁飛飛梁飛飛 135882

12、61149 1358826114916163.三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用 光學(xué)三維形狀測量技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，從傳統(tǒng)的光學(xué)三維形狀測量技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，從傳統(tǒng)的制造業(yè)到新興的三維動畫產(chǎn)業(yè)和虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域等。制造業(yè)到新興的三維動畫產(chǎn)業(yè)和虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域等。梁飛飛梁飛飛1358826114917173.1服裝制作 三維掃描儀可以快速地測得人體的外形尺寸，獲得其立體彩色模型，三維掃描儀可以快速地測得人體的外形尺寸，獲得其立體彩色模型，把這些數(shù)據(jù)與服裝把這些數(shù)據(jù)與服裝 CAD CAD 技術(shù)結(jié)合，可以在計算機中的數(shù)字化人體模技術(shù)結(jié)合，可以在計算機中的數(shù)字化人體模型上，按每個人的具體尺寸

13、進行服裝設(shè)計，設(shè)計出最合適的服裝，并型上，按每個人的具體尺寸進行服裝設(shè)計，設(shè)計出最合適的服裝，并可以直接在計算機上觀看最終的著裝效果?？梢灾苯釉谟嬎銠C上觀看最終的著裝效果。18183.2航天飛機外形檢測 為航天器發(fā)射安全，美國特別制為航天器發(fā)射安全，美國特別制定防止發(fā)射時熱防護系統(tǒng)被破壞的定防止發(fā)射時熱防護系統(tǒng)被破壞的研究計劃。發(fā)現(xiàn)者號攜帶一種新的研究計劃。發(fā)現(xiàn)者號攜帶一種新的外部檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能檢測出宇外部檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能檢測出宇航飛機外殼熱防護面小于毫米尺寸航飛機外殼熱防護面小于毫米尺寸的破壞點。這種外部檢測系統(tǒng)是由的破壞點。這種外部檢測系統(tǒng)是由加拿大加拿大 Neptec Neptec

14、 公司研制的三維激公司研制的三維激光掃描儀，它采用光掃描儀，它采用 1500nm 1500nm 的激光，的激光，不受光照條件變化的影響，工作不不受光照條件變化的影響，工作不受晝夜限制。受晝夜限制。19193.3地形地貌測量 航空三維激光航空三維激光掃描技術(shù)可以掃描技術(shù)可以用于地面的航用于地面的航空遙感定位和空遙感定位和影像獲取，還影像獲取，還可實時得到地可實時得到地表大范圍內(nèi)目表大范圍內(nèi)目標(biāo)點的三維坐標(biāo)點的三維坐標(biāo)，同時，它標(biāo)，同時，它也是也是目前唯一目前唯一能測定森林覆能測定森林覆蓋地區(qū)地面高蓋地區(qū)地面高程的可行技術(shù)。程的可行技術(shù)。2020 光學(xué)三維測量技術(shù)的主要特點是光學(xué)三維測量技術(shù)的主要特點是實時性、主實時性、主動性、適應(yīng)性好。動性、適應(yīng)性好。光學(xué)三維測量數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的光學(xué)三維測量數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用，無需復(fù)雜的數(shù)據(jù)后處理，處理就可以直接使用，無需復(fù)雜的數(shù)據(jù)后處理，由于無需和被測物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境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；三維激光掃描技術(shù)和下應(yīng)用；三維激光掃描技術(shù)和 GPS GPS 等技術(shù)結(jié)合起等技術(shù)結(jié)合起來形成的航空三維激光掃描技術(shù)，可以直接獲取來形成的航空三維激光掃描技術(shù)，可以直接獲取真實地表的高精度三維信息，具有傳統(tǒng)攝影測量真實地表的高精度三維信息，具有傳統(tǒng)攝影測量方法無法取代