光學三維測量技術綜述

1、光學三維測量技術綜述1 .引言客觀景物三維信息的獲取是計算機輔助設計、 三維重建以及三維成像技術中的基礎環(huán)節(jié)，被測物體的三維信息的快速、準確的獲得在虛擬現(xiàn)實、逆向工程、 生物與醫(yī)學工程等領域有著廣泛的應用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)展了很長一段時間，這方面的技術理論已經(jīng)非常完善和成熟，所以，在實際的測量中會有比較高的準確性。 但是盡管如此，依然會有一些缺點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) 接觸式測量設備在經(jīng)過長時間的使用之后，測

2、量頭有時會出現(xiàn)形變現(xiàn) 象，這無疑會對整個測量結果造成影響。(3) 接觸式測量要依靠測量頭遍歷被測物體上所有的點，可見，其測量效率還是相當?shù)偷慕佑|式三維測量技術發(fā)展已久， 應用最廣泛的莫過于三坐標測量機。 該方法 基于精密機械，并結合了當前一些比較先進技術，如光學、計算機等。并且該方 法現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛的應用， 特別是在一些復雜物體的輪廓、 尺寸等信息的精 確測量上。在測量過程中，三坐標測量機的測量頭在世界坐標系的三個坐標軸上 都可以移動， 而且測量頭可以到達被測物體上的任意一個位置上， 只要測量頭能 到達該位置，測量機就可以得到該位置的坐標， 而且可以達到微米級的測量精度。 但由于三坐標機測

3、量系統(tǒng)成本較高， 加之上述的一些缺點， 廣泛應用還不太現(xiàn)實。非接觸式三維測量技術一般通過利用磁學、 光學、聲學等學科中的物理量測 量物體表面點坐標位置。 核磁共振法、 工業(yè)計算機斷層掃描法、 超聲波數(shù)字化法 等非光學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構的表面信 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 質量保證、多媒體技術、醫(yī)療診斷、機器視覺等領域得到日益廣泛的應用,被公認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， 所以光學三維測 量只能測量物體

4、表面輪廓， 因此，本文中所言光學三維測量即指光學三維輪廓測 量，此后不再單獨解釋。光學三維測量技術總體而言可以分為主動式光學三維測量和被動式光學三 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 間法、激光三角法、 莫爾輪廓術和結構光編碼法等。 下面就剛剛提到的幾種光學 三維測量技術的原理進行逐一講解2.測量原理2.1被動式光學三維測量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在2幅圖像上的2個像點的匹配和檢測，可以得到該點的坐標信息。測量原理 如圖2.1.1所示。設攝像機基線長為 B,視差定義為D= P1- P

5、2，其中P1、P2為 空間點W(X,Y,Z)在2像面上的投影點，則由幾何關系可得Z=Bf/ D。計算出物點 的深度坐標后，其它2個坐標可以通過簡單的幾何透視關系得出。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的匹配，實際計算過程較為復雜。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)標定出的離焦模型計算被測點相對于攝像機的距離。測量模型如圖2.1.2所示。參考點A成像在像平面上的A點,物體表面上的B點成像在B'點，則在像面上形成兩個像點 B1和B2,測出兩點之間的距離則可以得到物體上 點B的坐標。鏡頭前擋板上挖的兩個小孔保證了探

6、測器上最外圍的兩像點是由 軸上物點形成的。離焦測量法避免了尋找精確的聚焦位置，但卻增加了標定過程的復雜性。另外，由于每次只能獲取一個軸上點的三維坐標，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的坐標測量，因此測量效率比較 低。2.2主動式光學三維測量2.2.1飛行時間法飛行時間法（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)射時間，通過測量飛行時間達到測量的目的，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，通過反射原理到達系統(tǒng)接收器接收，就可以計算出激光或者其他光源脈沖的運行時間及距

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。該測量方法運用激光或者其他光源脈沖飛行時間進行及接收 器的帶寬、靈敏度等進行測量，并且時間間隔的誤差在一個很小的圍之。因此運 用飛行時間法的測量系統(tǒng)目前誤差已經(jīng)達到微米級 3為了進一步使該系統(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) 工作時的頻率，同時可以通過相位調制的方法。當激光束幅度被正弦波調制時， 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。相位調制測量方法與脈沖調制方法相比較要復雜許多，然而減小了帶寬，而且通過正弦波相位調制能夠獲得比較大的測量視角?；陲w行時間法的測量系統(tǒng) 裝置復雜，并要求配備帶寬大、靈敏性高以和熱穩(wěn)定性好的電子設備， 因而造價 偏高，這些因素制約了其實際應用Amp li herlranstrnncr1 Slop pu I Sc+ Stort pulT i tn c/Ph tii ir mvut urcmen t圖2.2.1飛行時間法原理圖2.2.2激光三角法近年來隨著激光技術的發(fā)展，激光三角形法逐漸得到廣泛應用。它所采用的光源主要有點結構、線結構和雙線結構。其基本原