光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用

1、光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)引言人類(lèi)觀察到的世界是一個(gè)三維世界，盡可能準(zhǔn)確和完備地獲取客觀世界的三維 信息才能盡可能準(zhǔn)確和完備地刻畫(huà)和再現(xiàn)客觀世界。對(duì)三維信息的獲取和處理技術(shù)體現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)客觀世界的把握能力，因而從某種程度上來(lái)說(shuō)它是體現(xiàn)人類(lèi)智慧的 一個(gè)重要標(biāo)志。近年來(lái),計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了三維數(shù)字化技術(shù)的逐步成熟，三維數(shù)字化信息獲 取與處理技術(shù)以各種不同的風(fēng)貌與特色進(jìn)入到各個(gè)不同領(lǐng)域之中1:在工業(yè)界,它已成為設(shè) 計(jì)進(jìn)程中的一環(huán)，凡產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具開(kāi)發(fā)等，無(wú)一不與三維數(shù)字化測(cè) 量有著緊密的結(jié)合；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要大量景物的三維彩色模型數(shù)據(jù)，以用于國(guó) 防、模擬訓(xùn)練、科學(xué)試驗(yàn)；大量應(yīng)用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和醫(yī)學(xué)上廣泛

2、應(yīng)用的 CT機(jī) 和MRI核磁共振儀器，也屬于三維數(shù)字化技 術(shù)的典型應(yīng)用；文化藝術(shù)數(shù)字化保存（意 大利的古代銅像數(shù)字化、中國(guó)的古代佛像數(shù)字化、古文物數(shù)字化保存、3D動(dòng)畫(huà)的模型建構(gòu)（電影如侏羅紀(jì)公園、太空戰(zhàn)士 、醫(yī)學(xué)研究中的 牙齒、骨頭掃描，甚至 人類(lèi)學(xué)的考古研究等，都可運(yùn)用三維掃描儀快速地將模型掃描、建構(gòu)；而隨著寬頻與計(jì)算機(jī)速度的提升,Web 3D的網(wǎng)絡(luò)虛擬世界將更為普及，更帶動(dòng)了三維數(shù)字 化掃 描技術(shù)推廣到商品的電子商務(wù)、 產(chǎn)品簡(jiǎn)報(bào)、電玩動(dòng)畫(huà)等，這一切都表明未來(lái)的世界 是三維的世界。目前,有很多種方法可用來(lái)獲取目標(biāo)物體的三維形狀數(shù)據(jù)，光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)（Optiacl Three-dimensi

3、onal Measurement Technique因?yàn)槠?非接觸”與 全場(chǎng)”的特點(diǎn), 是目前工 程應(yīng)用中最有發(fā)展前途的三維數(shù)據(jù)采集方法。光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)是二十世紀(jì)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展所催生的豐富多彩的諸多實(shí)用技術(shù)之一，它是以現(xiàn)代光學(xué)為 基礎(chǔ),融光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處理、圖形學(xué)、信號(hào)處理等科學(xué)技術(shù)為一體的現(xiàn) 代測(cè)量技術(shù)。它把光學(xué)圖像當(dāng)作檢測(cè)和傳 遞信息的手段或載體加以利用，其目的是 從圖像中提取有用的信號(hào)，完成三維實(shí)體模型的重 構(gòu)2。隨著激光技術(shù)、精密計(jì) 量光柵制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理等高新技術(shù)的發(fā)展，以及不斷推出的高 性能微處理器、大容量存儲(chǔ)器和低成本的數(shù)字圖像傳感設(shè)備、 高分辨率的彩色

4、圖 像顯示系統(tǒng)等硬件設(shè)施的使用，不僅為光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了可能，而且為 其應(yīng)用前景的拓寬提供了無(wú)窮的想象空間。光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)2.1三維測(cè)量技術(shù)當(dāng)前，已經(jīng)被實(shí)際應(yīng)用的三維測(cè)量技術(shù)被分為兩大類(lèi)：即接觸式測(cè)量（ContactMethod與非接觸式測(cè)量（Non-contact Method,具體分類(lèi)如圖1所示3。圖1三維測(cè)量技術(shù)的分類(lèi)a接觸式測(cè)量接觸式測(cè)量又稱(chēng)為機(jī)械測(cè)量，即利用探針直接接觸被測(cè)物體的表面以獲取其三 維坐標(biāo)數(shù) 據(jù)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Machine , CMM是其中 的典型代表, 它可與CAD/CAM/CAE系統(tǒng)以在線工作方式集成在一起，形成實(shí)

5、物仿形制造系統(tǒng)。 機(jī)械接觸式測(cè)量技術(shù)已非常成熟，具有較高的靈敏度和精度，隨著光電技術(shù)的進(jìn)步， 近年來(lái)出現(xiàn)了綜合接觸與非接觸優(yōu)點(diǎn)的光電探測(cè)觸頭。盡管三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲得物體表面點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)精度很高，但本身仍存在很 多限制：掃描速度受到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的限制，測(cè)量速度慢，且測(cè)量前需要規(guī)劃測(cè)量路徑；對(duì) 軟質(zhì)材料測(cè)量 效果不好,對(duì)測(cè)頭不能觸及的表面無(wú)法測(cè)量，如內(nèi)孔,對(duì)一些邊緣、尖 角等幾何特征的區(qū)域 亦無(wú)法測(cè)量；使用接觸式測(cè)頭需補(bǔ)償測(cè)頭直徑，且由于觸頭會(huì) 磨損,需經(jīng)常矯正以維持精度；測(cè)量?jī)x器復(fù)雜,對(duì)環(huán)境要求很高，必須防震,防塵，恒溫 等;價(jià)格昂貴。因此，難以滿(mǎn)足當(dāng) 今高效率、高精度，大型面形的檢測(cè)需要4。b非

6、接觸測(cè)量法非接觸式三維測(cè)量不需要與待測(cè)物體接觸，可以遠(yuǎn)距離非破壞性地對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量。圖25給出的是非接觸式三維測(cè)量技術(shù)中常用的三種電磁波譜。微波適合于大尺度三維測(cè)量領(lǐng)域，采用三角測(cè)量原理（如全球定位系統(tǒng)，global positioning system簡(jiǎn)稱(chēng) GPS 或者利用飛行時(shí)間法（Time-of-flight ,簡(jiǎn)稱(chēng) TOF , 如傳統(tǒng)的雷達(dá)技術(shù)獲取物體的三維信息。由于微波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，衍射形成的愛(ài)里斑 （Airy Pattern半徑較大,角度分辨率低,不能滿(mǎn)足工業(yè)制造技術(shù)的要求,常用于航空 航天領(lǐng)域。超聲波受到 波長(zhǎng)的限制，分辨率也不高，但由于可以穿透介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn) 零件材料內(nèi)部的三維

7、無(wú)損檢測(cè) 探傷,在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但由于需要耦 合介質(zhì)，限制超聲探傷的應(yīng)用范圍。與微波和超聲波相比，光波波長(zhǎng)短,在300nm （紫 外到3卩m紅外范圍內(nèi)的光學(xué) 三維傳感器的角度分辨率和深度分辨率比微波和超聲 波高103到104數(shù)量級(jí),主要通過(guò)三角 法或者飛行時(shí)間法獲得物體的深度信息,在三 維測(cè)量領(lǐng)域運(yùn)用的最多5。2.2光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)由于計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像檢測(cè)這一新興學(xué)科的興起和發(fā)展對(duì)物體面形的三維檢測(cè) 技術(shù)的研究近年來(lái)集中于非接觸的光學(xué)三維測(cè)量方面。常用的光學(xué)三維測(cè)量基本原理有3種:飛行時(shí)間法、干涉法和三角法（見(jiàn)圖2。a飛行時(shí)間法飛行時(shí)間測(cè)量法可以分為脈沖測(cè)距法和相位差測(cè)距法。脈沖

8、測(cè)距法是由測(cè)量?jī)x器發(fā)出一個(gè)短脈沖信號(hào)，該信號(hào)由被測(cè)物體反射返回，在經(jīng)過(guò)了兩倍的被測(cè)距離 后被傳感器接收。通過(guò)測(cè)量同一脈沖信號(hào)從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t ,即可算得被測(cè)距離值L=c*t/2, c是光速。相位差測(cè)距法是測(cè)距儀對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制,通過(guò)測(cè)量調(diào) 制光波往返被測(cè)物體一次所產(chǎn)生的相位延遲來(lái)確定被測(cè)距離的 ,原理如圖3所示。圖3飛行時(shí)間法原理飛行時(shí)間法主要優(yōu)點(diǎn)是：具軸的光源和反射波束保證不存在陰影和盲區(qū)；對(duì)被測(cè) 物體的表面性質(zhì)無(wú)限制；不需要拍攝圖像和作圖像處理。 主要缺點(diǎn)是：裝置復(fù)雜,欲 形成距離圖像，需要逐點(diǎn)測(cè)量，因而速度慢，從原理上就無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的深度圖像。這種方法的一般分辨力 可達(dá)毫米級(jí)。曾經(jīng)

9、報(bào)道的與單光子相關(guān)的時(shí)間技術(shù) ，在1m 的范圍內(nèi)深度的重現(xiàn)性可達(dá)13卩m0與此相似的另一個(gè)技術(shù)是光渡越全息照相術(shù)， 它使用短而暫時(shí)的相或非常短的光脈沖 來(lái)產(chǎn)生一個(gè)具有 繁衍性”的光波陣面的運(yùn) 動(dòng)圖像，并利用數(shù)字重建技術(shù),可達(dá)到6.5卩m勺深度分辨力。激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)就是采用相位差測(cè)距法實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量的，該系統(tǒng)根據(jù)相 位法測(cè)距原理,用激光雷達(dá)獲取三維視覺(jué)信息。發(fā)射、接收及掃描光學(xué)系統(tǒng)的全 新設(shè)計(jì),保證了激光 雷達(dá)的空間分辨力極大的信噪比，并且具有部分光學(xué)自動(dòng)增益 補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｈ欢S著距離的 逐漸增大，由于返回信號(hào)的信噪比降低，均方誤差隨之 增大，但在整個(gè)測(cè)距范圍3m到30m內(nèi)，測(cè)距均方誤差小于

10、80mm。b干涉法干涉形狀測(cè)量的思想就是條紋通過(guò)靈敏度矩陣的變化而形成的。這種矩陣將物體的幾何 形狀同被測(cè)的光學(xué)相位相聯(lián)系。矩陣包括三個(gè)變量 ：波長(zhǎng)、折射率、照 明和觀察方向。由此產(chǎn)生三種測(cè)量方法：雙頻或多頻干涉法，折射率變化法以及兩種 光源干涉法7。通過(guò)獲得干涉信息以獲得三維圖像的方法這種系統(tǒng)要求有遠(yuǎn)心攝 像系統(tǒng)和能用多個(gè)激光頻率連續(xù)照射物體的可變激光光源，從而可使用N個(gè)波長(zhǎng)的 激光產(chǎn)生干涉，N的范圍可通過(guò)傅立葉算法 來(lái)確定再利用頻率域與空間域之間的傅 立葉變換關(guān)系確定深度用N頻干涉法測(cè)量深度有一個(gè)重要特征，即能夠以超乎想象 的準(zhǔn)確度對(duì)頂蜂返回位置進(jìn)行定位，然后通過(guò)對(duì)頂峰返回位置進(jìn)行插值來(lái)確

11、定高度值6 全息干涉測(cè)量是把干涉測(cè)量與全息照相結(jié)合起來(lái)，通過(guò)干涉條紋有效地把位相 變化情況 記錄下來(lái),對(duì)任意形狀物體及其表面作動(dòng)態(tài)三維立體圖像攝影，并經(jīng)圖像重疊產(chǎn)生干涉測(cè)量，可分為實(shí)測(cè)法和雙重暴光法。計(jì)算機(jī)全息干涉測(cè)量是用計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)模型直接顯示三維零件的全息圖，作為被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)零件的波面，再與實(shí)際零件表面 相干，即可檢測(cè)出實(shí)際零件誤差利用頻移的雙外差干涉是一種高準(zhǔn)確度的深度 測(cè)量技術(shù)。研究顯示在100m的測(cè)量范圍 內(nèi)分辨力達(dá)到0.1mm。干涉法的優(yōu)點(diǎn)是 不存在三角法中的遮擋問(wèn)題。利用相移干涉技術(shù)測(cè)量分辨力可優(yōu)于10nm ;將相移分析技術(shù)、干涉技術(shù)和外差技術(shù)綜合起來(lái)，再配以精密的光學(xué)裝置，測(cè)量誤差

12、可達(dá)到 一個(gè)條紋的1/10000。激光跟蹤式系統(tǒng)也采用干涉原理測(cè)量距離，用兩個(gè)高準(zhǔn)確度 的角度編碼器來(lái)確定垂直角度和水平角度。激光跟蹤系統(tǒng)是一種掃描系統(tǒng)，通常用來(lái)跟蹤光學(xué)傳感器或機(jī)器人的位置。c三角法光學(xué)三角法是最常用的一種光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)，以傳統(tǒng)的三角測(cè)量為基礎(chǔ)，通過(guò) 待測(cè)點(diǎn)相對(duì)于光學(xué)基準(zhǔn)線偏移產(chǎn)生的角度變化計(jì)算該點(diǎn)的深度信息。根據(jù)具體照明方式的不同，光學(xué)三角法可分為兩大類(lèi)：被動(dòng)三角法和基于結(jié)構(gòu)光的主動(dòng)三角 法。雙目視覺(jué)是典型的被動(dòng)三 維測(cè)量技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于其適應(yīng)性強(qiáng)，可以在多種 條件下靈活地測(cè)量物體的立體信息，缺點(diǎn)是需要大量的相關(guān)匹配運(yùn)算以及較為復(fù)雜 的空間幾何參數(shù)的校準(zhǔn)等問(wèn)題，測(cè)量精度

13、低，計(jì)算量較大,不適于精密計(jì)量，常用于 三維目標(biāo)的識(shí)別、 理解以及位形分析等場(chǎng)合，在航空領(lǐng) 域應(yīng)用較多。主動(dòng)三維測(cè) 量技術(shù)根據(jù)三維面形對(duì)于結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的調(diào)制方式不同，可分為時(shí)間調(diào)制和空間調(diào)制兩 大類(lèi),飛行時(shí)間法是典型的時(shí)間調(diào)制方法，激光逐點(diǎn)掃描法、光切法和光柵 投射法 是典型的空間調(diào)制方法8 o光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)提供了各種原理不同的測(cè)量方法 ，以適應(yīng)工程中不同測(cè)量精 度、分辨率、測(cè)量范圍的要求?？筛鶕?jù)環(huán)境、對(duì)象等特定因素之不同而選擇不 同的測(cè)量方法。一般來(lái)說(shuō),一種測(cè)量方法中可以實(shí)現(xiàn)的分辨率范圍及其能夠測(cè)量的 物面尺度大小是有限的，從而限制了適用范圍。如果需要在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體 的測(cè)量,則必須在測(cè)

14、量系統(tǒng)中集成多種測(cè)量方法。三角測(cè)量法等需要圖像傳感器的 介入，同時(shí)又屬于圖像測(cè)量的范疇，因而也會(huì)利用 圖像分析法的一些理論。禾U用多 種信息融合來(lái)處理三維數(shù)據(jù)的獲取問(wèn)題，即多感知源的信息融合，這樣可使問(wèn)題簡(jiǎn)化 同時(shí)可提高處理結(jié)果的準(zhǔn)確性、靈活性。光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用3.1逆向工程逆向工程 是一種新的制造手段和系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)已有樣件或模型的內(nèi)外輪廓進(jìn)行精確測(cè)量，獲得其三維數(shù)據(jù)，配合計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行曲面重建，并在線精度分析、評(píng)價(jià)構(gòu)造效果，重構(gòu)CAD模型，生成IGES或STL數(shù)據(jù)，或者生成數(shù)控加工 NC代碼， 據(jù)此進(jìn)行快速成型 或CNC數(shù)控加工，從而大大縮短產(chǎn)品或模具的開(kāi)發(fā)制

15、造周期。 利用光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)生成的虛擬模型可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)制造，光學(xué)數(shù)字化系統(tǒng)與CAD/CAM/CAE以及RP&M 3D集成可以構(gòu)成基于虛擬模型的快速響應(yīng)的 設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)，主要優(yōu)點(diǎn)包括：實(shí)際物體的準(zhǔn)確 和完整的模型；提供原始 CAD文件格式；曲面造型和參數(shù)實(shí)體模型；在設(shè)計(jì)和制造中節(jié)省投入的時(shí)間和資金9。典型的范 最為著名的非接觸測(cè)量設(shè)備要數(shù)德國(guó) GOM公司的ATOS系列三 維測(cè)量?jī)x10。例如圖4所示，（a）用ATOS光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量Beetle設(shè)計(jì)車(chē) 模，（b）獲得其三維數(shù)據(jù)，（c）建立多邊形網(wǎng)格曲面模型，利用（d）快速成 型系統(tǒng)或（e）數(shù)控銑床直接加工出車(chē)模。（a）Measuring

16、&digitizing Of the carmodel （ b） Flat shaded display of the digitized data （c） Polygonized data（d） Rapid Prototyping Part based on the digitized data （e） Milled in Ureol, based on the digitized data圖4光學(xué)測(cè)量技術(shù)與CAD/CAM/CAE結(jié)合實(shí)例圖5所示是基于條紋投影的三維成像系統(tǒng)-逆向工程實(shí)例。圖5條紋投影的三 維成像系統(tǒng)實(shí)例此外，大量光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)的軟件包中，也集成有諸如邊界元 方法（EBM、

17、有限元方法（FEM等以CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程子模塊，或提供有專(zhuān)業(yè)以 CAE系統(tǒng)的兼容接口，為工 程中的各種問(wèn)題提供解決方案。事實(shí)上，光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)在逆向工程中的應(yīng)用已經(jīng)成為最具市場(chǎng)潛力的發(fā)展方向之一。3.2三維人體測(cè)量作為服裝人體工學(xué)的重要分支，人體測(cè)量是保障服裝業(yè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的基礎(chǔ)性 工作。隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化以及通訊技術(shù)在服裝業(yè)中的廣泛應(yīng)用，人體測(cè)量技術(shù) 在精度、速度以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸方式上都要隨之變革以滿(mǎn)足服裝數(shù)字化設(shè)計(jì) 生產(chǎn)的需要。三維人體測(cè)量是以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)，使用視覺(jué)設(shè)備來(lái)捕獲物體外 形，然后通過(guò)系統(tǒng)軟件來(lái)提取掃描數(shù)據(jù)。其工作流程分為以下四個(gè)步驟：1通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的光源照射掃描物體；

18、2CCD攝像頭探測(cè)來(lái)自被掃 描物體的反射圖像；3 通過(guò)反射圖像計(jì)算人體表面特定點(diǎn)到攝像頭的距離；4通過(guò)軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換距離數(shù)據(jù)產(chǎn)生三維圖像11。圖6為美國(guó)Cyberware的全身三維掃描系統(tǒng)，它采用激光光 源，由激光二級(jí)管發(fā)射一束 激光到被掃描體表面，使用一個(gè)鏡面組合從兩個(gè)位置 同時(shí)取景。從一個(gè)角度取景時(shí)，激光條紋因物體的形狀而產(chǎn)生形變，傳感器記錄這些形變，產(chǎn)生人體的數(shù)字圖像。其最大的特點(diǎn)是識(shí)別并獲取身體表面色彩信息，這使得它的測(cè)量姿態(tài)更加靈活，因此應(yīng)用范圍更加廣泛。圖6全身三維掃描系統(tǒng)3.3醫(yī)學(xué)圖像三維表面重建 現(xiàn)代醫(yī)療診斷常常需要借助 一些輔助設(shè)備為診斷提供可靠的、完整的信息，因此，人體組織與

19、器官的三維成像技術(shù)在現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中起著越來(lái)越重要的作用。目前常用的光學(xué)三維 測(cè)量方法，主要有計(jì)算機(jī)斷層掃描，核磁共振成像和超聲等，通過(guò)這些數(shù)字化設(shè)備得到人 體斷層二維圖像，在計(jì)算機(jī)中重建成三維圖像數(shù)據(jù)，并在屏幕上顯示人體器官的 立體視圖。醫(yī) 生可以將重構(gòu)出的器官圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，使醫(yī)生能夠更充分地了解病情的性質(zhì)及 其周?chē)M織的三維結(jié)構(gòu)關(guān)系，從而幫助醫(yī)生做出準(zhǔn)確的 診斷和制定正確的手術(shù)方案12。光學(xué)三維測(cè)量還廣泛用于研究面部軟組織形態(tài)和 對(duì)稱(chēng)性，比較牙齒的差異，以及外科、骨科用于脊柱及側(cè)凸的檢測(cè)，假牙假肢的量身定做，具體實(shí)例如圖7所示。（a）球狀關(guān)節(jié)（b）臀骨圖7生物醫(yī)學(xué)成像實(shí) 例（c）膝部除此之外，光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)還可以用于虛擬現(xiàn)實(shí)（提供虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所需要的大量三維模型數(shù)據(jù)，展示三維景像，模擬未知環(huán)境和模型）；文物保護(hù)（三維彩色數(shù)字化技術(shù)能以 不損傷物體的手段，獲得文物的三維信息和表面 色彩、紋理，便于長(zhǎng)期保存、再現(xiàn)）等諸多領(lǐng)域。4.總結(jié)與展望總結(jié)與展望光學(xué)三維信息獲取技術(shù)有多種，每種方法各 有其產(chǎn)生背景和適用范圍，各有優(yōu)缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，計(jì)算機(jī)圖形圖像處理、輔助設(shè)計(jì)、多媒體技術(shù)越來(lái)