光學(xué)三維測量

光學(xué)三維測量制作人：王召慧第一頁，共二十九頁。光學(xué)測量光學(xué)測量是光電技術(shù)與機(jī)械測量結(jié)合的高科技。光學(xué)測量主要應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)檢測。借用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速，準(zhǔn)確的測量。方便記錄，存儲，打印，查詢等等功能。第二頁，共二十九頁。光學(xué)三維測量

隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的進(jìn)步，三維測量技術(shù)逐步成為人們的研究重點(diǎn)，特別是隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，使得光學(xué)式三維測量技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。第三頁，共二十九頁。光學(xué)三維測量光學(xué)三維測量方法相移測量法傅里葉輪廓術(shù)相位測量輪廓術(shù)第四頁，共二十九頁。表面三維形貌測量三維形面測量方法又稱為三維輪廓測量術(shù)、三維面形測量等，其目的都是通過測量復(fù)原物體的三維外形。按照測量物體的尺度大小可分為宏觀物體三維形貌測量、細(xì)觀形貌測量和微觀形貌測量。按照一次測量取得的數(shù)據(jù)量可分為點(diǎn)掃描式、線掃描式及面測量。第五頁，共二十九頁。表面三維形貌測量

表面三維形貌測量可分為接觸式和非接觸式兩類，具體分類如圖1.1所示第六頁，共二十九頁。光學(xué)三維測量

三維測量技術(shù)大體分為接觸式與非接觸式兩類。接觸式測量基本上在坐標(biāo)測量機(jī)(CoordinateMeasuringMachine，CMM)上進(jìn)行。坐標(biāo)測量機(jī)是一種大型精密的三坐標(biāo)測量儀器，可以對具有復(fù)雜形狀的工件的空間尺寸進(jìn)行測量。非接觸式測量技術(shù)基于光學(xué)原理，具有高效率、無破壞性、工作距離大等特點(diǎn)，可以對物體進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)的測量。此類技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品質(zhì)量檢測和工藝控制中，可大大節(jié)約生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研制周期，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因而倍受人們的青睞。第七頁，共二十九頁。光學(xué)三維測量接觸式測量的優(yōu)缺點(diǎn)。接觸式測量的優(yōu)點(diǎn)：接觸式測量中廣泛使用的是三坐標(biāo)測量儀，其測量范圍大、分辨率高、結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好。接觸式測量的缺點(diǎn)：因其屬于點(diǎn)掃描測量方式，所以測量速度慢。此外，由于采用接觸測量，在測量過程中可能損傷被測表面，因此不能測量彈性或脆性材料。第八頁，共二十九頁。光學(xué)三維測量非接觸式測量的特點(diǎn)。非接觸式測量中的代表是光學(xué)測量，由于不接觸被測表面，在保護(hù)表面的同時也增加了測量速度，并以其高分辨率而倍受重視。該方法具有受環(huán)境電磁場影響小、工作距離大、測量精度高等特點(diǎn)。隨著各種高性能器件如半導(dǎo)體激光器LD、電荷禍合器件CCD等的出現(xiàn)，光學(xué)非接觸式測量應(yīng)用將越來越廣泛，第九頁，共二十九頁。光學(xué)三維測量技術(shù)的應(yīng)用光學(xué)非接觸式三維形面測量技術(shù)正由于其非接觸、高效率、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子、汽車、紡織、機(jī)械加工等現(xiàn)代工業(yè)中，此外，在生物醫(yī)學(xué)、人體測量學(xué)等方面也有廣泛的應(yīng)用。非接觸式光學(xué)形面測量技術(shù)的幾個主要應(yīng)用:1）自動加工和質(zhì)量控制2）磨具CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）/CAM3）機(jī)器人視覺4）醫(yī)療應(yīng)用第十頁，共二十九頁。光學(xué)非接觸式三維測量技術(shù)光學(xué)式非接觸式三維測量技術(shù)根據(jù)獲取三維信息的基本方法可分為兩大類：被動式與主動式兩大類。被動式是在自然光(包括室內(nèi)可控照明光)條件下，通過攝像機(jī)等光學(xué)傳感器攝取的二維灰度圖像獲取物體的三維信息。主動式是利用特殊的受控光源(稱為主動光源)照射被測物，根據(jù)主動光源的已知結(jié)構(gòu)信息（幾何的、物體的、光學(xué)的)獲取景物的三維信息。第十一頁，共二十九頁。被動式光學(xué)三維測量技術(shù)被動式測量技術(shù)主要用于受環(huán)境約束不能使用激光或特殊照明光的場合或者由于保密需要的軍事場合。一般是從一個或多個攝像系統(tǒng)獲取的二維圖像中確定距離信息，形成三維面形數(shù)據(jù)，即單目、多目視覺。這種方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，目前在機(jī)器視覺領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。第十二頁，共二十九頁。主動式光學(xué)三維測量技術(shù)主動式光學(xué)非接觸測量技術(shù)大體上可分為飛行時間法、主動三角法、莫爾輪廓術(shù)、傅里葉變換輪廓法、自動聚焦法、離焦法、全息干涉測量法、相移測量法等。目前主動式光學(xué)三維測量技術(shù)已經(jīng)廣泛用于工業(yè)檢測、反求工程、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。三維高速度、高精度測量技術(shù)將隨著測量方法的完善和信息獲取與處理技術(shù)的改進(jìn)而進(jìn)一步發(fā)展，在新的更加廣闊的研究和應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。第十三頁，共二十九頁。相移測量法在主動式光學(xué)三維測量技術(shù)中相移測量法比較常用。相移測量法是一種重要的三維測量方法，它采用正弦光柵投影和相移技術(shù)，投影在物體上的光柵，根據(jù)物體的高度而產(chǎn)生變形，變形的光柵圖像叫做條紋圖，它包含了三維信息。變形光柵的光強(qiáng)一般形式為:

I1(x，y)=I0[(l+γ

(x，y)cos(φ(x，y)+δk)]式中I1(x，y)為物體(x，y)點(diǎn)上的光強(qiáng);I0(x，y）為背景光強(qiáng);γ

(x，y)為調(diào)制度;δk為相移量(k=1，2，3，…);φ(x，y)為相位，它是物體形狀h(x，y)的函數(shù)。相移法有多種方案，出現(xiàn)較早的N步法將投影到物體表面的正弦光柵條紋移動N次，每次移動的相位值為2π/(N+l)，從而得到N+1幅圖像。除此之外還有N段積分法、N+1步法、最小二乘法、Carre相移法等。第十四頁，共二十九頁。相移測量法相移法的優(yōu)點(diǎn)是一種在時間軸上的逐點(diǎn)運(yùn)算，不會造成全面影響，計(jì)算量少。另外，這種方法具有一定抗靜態(tài)噪聲的能力。缺點(diǎn)是不能消除條紋中高頻噪聲引起的誤差。在傳統(tǒng)相移系統(tǒng)中，精確移動光柵的需要增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。而在數(shù)字相移系統(tǒng)中，用軟件控制精確的實(shí)現(xiàn)相位移動。某些應(yīng)用場合不允測量多幅圖像，但只要沒有以上限制，相移法仍是首選。第十五頁，共二十九頁。

相移測量法存在的問題相移測量法研究焦點(diǎn)在于不斷提高測量的空間分辨率及測量精度、擴(kuò)大物體的橫向及縱向測量范圍。目前，相移測量法仍存在以下幾個問題:1）陰影和盲區(qū)問題相移測量法的測量受被測物表面散射特性的限制，必須滿足“光線所及（光線能照到)和視線所及(能被觀察到)”兩個條件，對于光線不可及或視線不可及的地方，形狀測量則無法實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)陰影和盲區(qū)問題。2）表面不連續(xù)問題當(dāng)表面不連續(xù)時，條紋相對級次不確定，就會造成解調(diào)相位不準(zhǔn)確。第十六頁，共二十九頁。相移測量法存在的問題3）圖像的預(yù)處理4）相位去包裹通過相移法求得的相位值都是折疊在-π~+π的主值區(qū)間，必須對相位進(jìn)行去包裹(Phaseunwrpping)處理，正確地恢復(fù)出被折疊的2nπ才能求得真實(shí)的相位值。5)大曲面的測量6系統(tǒng)的測量精度由于測量系統(tǒng)的像差效應(yīng)、透鏡的畸變效應(yīng)、CCD的非線性效應(yīng)及圖像采集板的量化效應(yīng)等，都會給相移測量法帶來很復(fù)雜的非線性系統(tǒng)誤差，這些因素都降低了相移測量法的測量精度。第十七頁，共二十九頁。數(shù)字相移條紋投影技術(shù)基于數(shù)字相移條紋投影技術(shù)的三維測量法是三維非接觸測量技術(shù)的一個比較活躍的分支。它的基本原理是用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生正弦投影條紋，經(jīng)數(shù)字投影儀投射到物體表面，條紋經(jīng)物體表面調(diào)制產(chǎn)生變形，用CCD攝像機(jī)將變形條紋拍攝下來，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行相位場提取、相位去包裹，得到絕對相位值，最后經(jīng)系統(tǒng)標(biāo)定、坐標(biāo)變換可得物體表面的三維數(shù)據(jù)。

第十八頁，共二十九頁。數(shù)字相移條紋投影技術(shù)根據(jù)攝像機(jī)光軸和投影儀光軸的空間位置將系統(tǒng)分為相交軸系統(tǒng)和平行軸系統(tǒng)。為了最具一般性，以相交軸系統(tǒng)為例，分析基于數(shù)字相移條紋投影技術(shù)的三維測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示。

第十九頁，共二十九頁。數(shù)字相移條紋投影技術(shù)相移測量方法中，由系統(tǒng)標(biāo)定得到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以建立被測物體表面三維坐標(biāo)與連續(xù)相位場之間的關(guān)系，即物相關(guān)系，從而得到物體表面的三維坐標(biāo)。軟件系統(tǒng)組成：第二十頁，共二十九頁。投影條紋法投影條紋法具有測量速度快、易自動化、柔性好、全場測量的特點(diǎn)，己成為國內(nèi)外三維形貌測量技術(shù)研究發(fā)展的重點(diǎn)。它通過改變光束(或光面)的幾何(或光學(xué))特性及投影角度，從而得到不同的圖像，使得其測量精度較高、適用范圍廣泛。同時，圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及CCD等電子產(chǎn)品的發(fā)展促進(jìn)了投影測量方法的發(fā)展，使得投影測量方法更容易實(shí)現(xiàn)。常見的投影條紋法有傅里葉輪廓術(shù)和位相測量輪廓術(shù)。第二十一頁，共二十九頁。PPT內(nèi)容概述光學(xué)三維測量。方便記錄，存儲，打印，查詢等等功能。隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的進(jìn)步，三維測量技術(shù)逐步成為人們的研究重點(diǎn)，特別是隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，使得光學(xué)式三維測量技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。三維形面測量方法又稱為三維輪廓測量術(shù)、三維面形測量等，其目的都是通過測量復(fù)原物體的三維外形。按照測量物體的尺度大小可分為宏觀物體三維形貌測量、細(xì)觀形貌測量和微觀形貌測量。非接觸式測量技術(shù)基于光學(xué)原理，具有高效率、無破壞性、工作距離大等特點(diǎn)，可以對物體進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)的測量。此外，由于采用接觸測量，在測量過程中可能損傷被測表面，因此不能測量彈性或脆性材料。光學(xué)非接觸式三維形面測量技術(shù)正由于其非接觸、高效率、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子、汽車、紡織、機(jī)械加工等現(xiàn)代工業(yè)中，此外，在生物醫(yī)學(xué)、人體測量學(xué)等方面也有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)表面不連續(xù)時，條紋相對級次不確定，就會造成解調(diào)相位不準(zhǔn)確第二十二頁，共二十九頁。傅里葉輪廓術(shù)傅里葉輪廓術(shù)（FTP)相當(dāng)于在把對空間信息的處理轉(zhuǎn)化為對頻率的處理。其基本原理是投影條紋于物體表面，攝像機(jī)攝取變形的條紋圖，對條紋圖進(jìn)行傅里葉變換、濾波、逆傅里葉變換的步驟提取條紋相位信息。條紋的相位信息中包含了物體的形貌信息。傅里葉變換輪廓術(shù)具有全場、快速的特點(diǎn)，且能自動判定物體的凸凹，無需指定條紋級次和采用插值運(yùn)算就能獲得物體的高度分布，在實(shí)時和動態(tài)三維面形測量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。第二十三頁，共二十九頁。傅里葉輪廓術(shù)但是目前FTP的測量精度精度還不夠高，在實(shí)際應(yīng)用中還存在若干困難，比如不完善相位圖無法展開的問題，頻譜混疊的影響等。未來的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步提高FTP的測量精度，克服頻譜混疊，不斷優(yōu)化頻域?yàn)V波和相位展開算法，盡量減少測量過程中外界各種因素的干擾，以滿足相關(guān)領(lǐng)域?qū)θS面形數(shù)據(jù)快速、自動、實(shí)時獲取的要求。第二十四頁，共二十九頁。傅里葉輪廓術(shù)實(shí)際上，傅里葉變換光學(xué)可借鑒通信原理中的調(diào)制與解調(diào)的概念加以理解，故FTP的工作原理大致可描述為:1）投影在被測物體三維面形(調(diào)制信號)表面的光柵結(jié)構(gòu)光場(載波信號)受到調(diào)制得到連續(xù)分布的變形結(jié)構(gòu)光場(已調(diào)信號)，光柵結(jié)構(gòu)光場的相位因此也受到物體三維面形高度分布的調(diào)制2)對連續(xù)分布的變形結(jié)構(gòu)光場(己調(diào)信號)進(jìn)行攝取(抽樣)，獲得離散信息送計(jì)算機(jī)處理，經(jīng)過離散傅里葉變換、頻域?yàn)V波、逆傅里葉變換，計(jì)算出變形結(jié)構(gòu)光場的相位信息3)根據(jù)相位與高度分布之間的映射關(guān)系，重建被測物體的三維面形。第二十五頁，共二十九頁。相位測量輪廓術(shù)相位測量輪廓術(shù)(PMP)是以測量投影到物體上的變形條紋像的相位為基礎(chǔ)，通過相位與高度的映射關(guān)系得到被測物體的三維形貌?；舅枷耄夯舅枷刖褪峭ㄟ^多幅相互間有一定相位差的條紋圖來計(jì)算出相位，再按照相應(yīng)的相位展開算法就可以精確地得到物體三維面形數(shù)據(jù)。第二十六頁，共二十九頁。相位測量輪廓術(shù)優(yōu)點(diǎn)：采用了正弦光柵投影和相移技術(shù)，能以較低廉的光學(xué)、電子和數(shù)