三维数据测量技术

1、三维数据测量技术 汇报人：. 日期：11月3日 研究的背景及意义 三维数据测量技术现状 主要内容主要内容 研究的背景及意义 众所周知，测量一直都是工业领域中的重要内容，从产品的研制、 加工、到装配，各个环节都需要测量。在实际的生产中，利用传 统的检测方法对大型构件的测量，不仅费时费力，而且不易达到 精度的要求。 比如对航空大型构件、发动机叶轮、船体等测量。 解决复杂形状表面轮廓尺寸的 测量和提高三维测量的测量精 度等一些列问题，因此急需研 制出适用于上述情况的三维数 据测量技术。 三维数据测量技术现状 目前已有的三维测量技术比较多，原理也各不相同。绝大多数都是基于光 学 、声学 、电磁学以及机

2、械接触原理的测量方法。 三维测量技术的分类三维测量技术的分类 三维测量技术 接触式 非接触式 又根据是否接触被测物体，可以将三维测量技术分为接触式测量和非接触 式测量这两大类。 “测头直接与零件表面接触” “间接获得”，基于磁场、光学、超声波等物理模拟量 基于“力-变形”原理的触发式测量 接触式三维测量技术接触式三维测量技术 典型的接触式测量设备是三坐标测量机（CMM）和关节臂测量机。 上图关节臂测量机 美国 FARO 公司生产的铂金系列关节臂测量机单点精度可达 0.005mm，空间长度精 度可达 0.02mm，重量最轻可不超过 9.0kg。 关节臂测量机关节臂测量机 优点： 1）机械结构简单

3、； 2）运动灵活，测量范围大； 3）便携性好等特点。 缺点： 1）精度比传统的三坐标测量机要低，精度一般为 10m 级以上； 2）关节臂测量机可能有测量死角或精度特别差的区域； 3）测量效率比较低。 非接触式三维测量技术非接触式三维测量技术 超声波 光学 非接触式三 维测量技术 磁场 主动测量法 结构光方法 干涉法 莫尔条纹法 相位法 傅立叶变换轮廓法 被动测量法 单目视觉法 双目立体视觉法 三目立体视觉法与多目立体视觉法 需要利用圆形标记点， 实现多视角（多视图） 测量数据的拼合。 主动式三角测量技术 测量精度高，达到 nm级 1）速度快，其效率是经纬仪交会系统的 几倍，新的仪器每秒采样可达

4、万次； 2）精度高，典型的仪器测量精度指标为 0.02mm1.1m/m； 3）动态跟踪，可以实时跟踪测量，方 便 动态、轨迹测量； 4）测量范围大，可测量半径不小于 35m 空间范围内的物体。 激光跟踪仪激光跟踪仪 优点： 激光跟踪仪激光跟踪仪 瑞士 Leica 公司的三维坐标测量系统 T-Probe 该产品可以认为是激光跟踪技术和三维视觉技术的结合产品。 系统如右图所示，测笔上装有一个测量头、 若干个目标靶点（红外发光二极管）、一个猫眼， 它们之间的相互位置关系已知，通过获得目标靶 点、猫眼的空间位置可以计算出测量头的空间位 置。 在测量时，首先通过激光跟踪仪检测到猫 眼的位置，从而得到测笔

5、的大概位置，然后相 机通过激光跟踪仪获得的位置信息快速定位测 笔，并通过 CCD相机获取目标靶点的图像，计 算机根据图像计算出目标靶点的空间位置，并 结合激光跟踪仪测得猫眼的位置计算出测量头 的空间位置。 激光线三维扫描测量仪激光线三维扫描测量仪 激光线三维扫描测量仪是一种基于线激光投射和三角测量原理的非接触式测量 设备。 它在测量过程中将一个条状激光束投射至被测物体表面，并使用 CCD 相机接受 其反射光束，然后根据三角测量原理获得三维坐标数据。 特点： 1）测量设备不与被测物体发生接触； 2）测量速度快； 3）可以进行现场测量。 缺点： 测量精度一般比三坐标测量机要低， 而且受扫描范围、景

6、深等的限制较大。 不适宜测量大尺寸范围的零部件。 结构光三维扫描仪是一种基于线或面结构光投射和双目立体测量原理的非接触 式测量设备。 将其中一个相机用固定好的结构光代替，利用光源和成像系统之间的三角几何将其中一个相机用固定好的结构光代替，利用光源和成像系统之间的三角几何 信息进行三维形面测量。信息进行三维形面测量。 结构光三维扫描仪结构光三维扫描仪 特点： 1）具有测量速度快； 2）单次测量的数据点多，具备大规模采集表面数据的能力； 3）非接触式扫描，非接触式三维光学扫描方式，可针对外观复杂、自由 曲面、柔软易变形或易磨损等物体进行扫描； 4）精度高，独特的标定技术可使单面精度可达4m。 在飞

7、机、汽车和船舶等大型复杂零件的外形轮廓测量中已得 到了广泛的应用。 对比项目结构光三维扫描仪激光三维扫描仪三坐标测量机 系统体积小大大 系统质量轻、方便灵活移动重、难移动重、不可移动 扫描方式面点或线点 扫描精度高较高高 扫描范围大受机械行程限制受机械行程限制 机械磨损不存在严重存在 扫描时间单面小于5秒数小时数天 安装设置简单需调试需调试 维护难度容易难、严格难、严格 工作环境不严格受环境光影响受温度、湿度影响 适用范围所有物体因厂家不同而不同硬物体的测量 近景摄影测量系统近景摄影测量系统 近景摄影测量系统，利用数字近景摄影测量原理，通过对拍摄的图像进行处 理来获得精确的三维坐标。 实验室AutoLocator系统重建结果 一般在几个m，商用Tritop系统 重建结果一般在几十m。 被动测量法 单目视觉法 双目立体视觉法 三目立体视觉法与 多目立体视觉法 只采用一个摄像机，与双目视觉方法相 比，结构简单，摄像机的标定也较为简 单，可以对不同深度的多个目标测距。 该方法模拟人眼立体成像过程，用 两个有一定间距、成一定角度的CCD 相机同时摄取场景的图像，根据光 学三角形原理来获得物体表面空间