光学三维测量汇编

1、 光学三维测量光学三维测量 三维测量技术大体分为接触式与非接触式两类三维测量技术大体分为接触式与非接触式两类 l接触式测量基本上在坐标测量机(Coordinate Measuring Machine， CMM)上进行。坐标测量机是一种大型精密的三坐标测量仪器，可 以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量。 l非接触式测量技术基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距 离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在 产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研 制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。 光学三维测量光学三维测量 光学测量是光电技术与机械测量结合的

2、一 门研究。光学测量主要应用在现代工业检测。 借用计算机技术，可以实现快速，准确的测量。 方便记录，存储，打印，查询等等功能。 光学三维测量光学三维测量 随着现代检测技术的进步，三维测量技术 逐步成为人们的研究重点，特别是随着激光技 术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术 的发展，使得光学式三维测量技术得到广泛的 应用。 光学非接触式三维测量技术光学非接触式三维测量技术 l光学式非接触式三维测量技术根据获取三维信息的基本方法可分 为两大类：被动式被动式与主动式主动式两大类。 l被动式是在自然光(包括室内可控照明光)条件下，通过摄像机等 光学传感器摄取的二维灰度图像获取物体的三维信息。 l主动

3、式是利用特殊的受控光源(称为主动光源)照射被测物，根据 主动光源的已知结构信息（几何的、物体的、光学的)获取景物 的三维信息。 光栅投影三维测量技术光栅投影三维测量技术 l光栅投影三维测量技术是一种主动式非接触三维测量技术。 光栅投影三维测量技术以现代光学为基础，融光电子学、图像图形处理、 计算机控制、机器视觉等技术为一体，在工业生产控制与检测、机器人 视觉、空间遥感、医学诊断以及社会安全等诸多领域具有广泛的应用前 景。 l它的基本原理是用计算机产生正弦投影条纹，经数字投影仪投射到物体 表面，条纹经物体表面调制产生变形，用CCD摄像机将变形条纹拍摄下 来，再利用计算机进行相位场提取、相位恢复，

4、得到绝对相位值，最后 经系统标定、坐标变换可得物体表面的三维数据。 光栅投影三维测量技术光栅投影三维测量技术 光栅投影三维测量技术 摄像机和光栅投影相关参数：摄像机和光栅投影相关参数： 光心Op和 Oc 、两光心之间的距离 成像平面和投影光栅 摄像机坐标、参考坐标 PP， P h 光栅投影三维测量技术 P h 在未放置物体时，假设由投影仪 射出的一束光线投射于参考面上 的点；当放置被测物体后，该 入射光线的投射点变为物面上的 点。从摄像机的角度观察，被 物面进行高度调制后，光线从原 点移至点。可理解为线段 中带有的高度信息，只 要能够从摄像机所拍摄的图像中 解算出高度，并将该过摆 扩展到整个平

5、面上所有的 点，即可得到高度矩阵hx,y A B 光栅投影三维测量技术 摄像机和光栅投影相关参数：摄像机和光栅投影相关参数： 根据相似三角形原理 式中公点B到点A的位移可以通过被调 制光栅图像的相位来求得。当原参考 面上的B点变为A点时，相应地，B点 对应光栅条纹的相位 也变为A点处 的相位 。位移BA包含了包含了 物体表面上点的高度信息（即 ），BA可以通过下式求得 P h l-h B A A hBA lhd A B 数字光栅投影技术原理数字光栅投影技术原理 摄像机和光栅投影相关参数：摄像机和光栅投影相关参数： P h l-h , AB x y 0 =,/ 2BAx y hBA lhd 所以

6、 0 ., ,2/ lx y h x yd 相位重建方法恢复绝对相位相位重建方法恢复绝对相位 光栅投影三维测量技术光栅投影三维测量技术 软件系统组成： 光栅投影三维测量技术存在的问题光栅投影三维测量技术存在的问题 l目前，仍存在以下几个问题: 1）阴影和盲区问题 测量受被测物表面散射特性的限制，必须满足“光线所及 （光线能照到)和视线所及(能被观察到)”两个条件，对于光线不 可及或视线不可及的地方，形状测量则无法实现，出现阴影和盲 区问题。 2）表面不连续问题 当表面不连续时，条纹相对级次不确定，就会造成解调相位 不准确。 光栅投影三维测量技术存在的问题光栅投影三维测量技术存在的问题 3）图像

7、的预处理 4）相位去包裹 通过相移法求得的相位值都是折叠在- +的主值区间，必 须对相位进行去包裹(Phase unwrpping)处理，正确地恢复出被 折叠的2n才能求得真实的相位值。 5) 大曲面的测量 6 )系统的测量精度 由于测量系统的像差效应、透镜的畸变效应、CCD的非线性 效应及图像采集板的量化效应等，都会给相移测量法带来很复杂 的非线性系统误差，这些因素都降低了相移测量法的测量精度。 数字条纹投影三维测量技术可研究的方向数字条纹投影三维测量技术可研究的方向 l一. 提高光栅投影三维测量精度 l欧 美 一 些 国 家 以 及 日 本 在 光 学 三 维 测 量 技 术 方 面起 步

8、 比 较 早。近年内相继推出了不同型号的测量系统 l国内清华大学，上海交通大学、西安交通大学、 东南大学等多 所高校也在跟踪、消化、吸收国外先进技术的基础上,对结构光 测量技术进行了系统研究。 国内目前国内在光栅投影三维测量 最高精度可达0.008mm，但测试视场较小在100X75mm范围内， 仍然具有进一步提升的空间。 光栅投影三维测量技术可研究的方向光栅投影三维测量技术可研究的方向 l一. 提高光栅投影三维测量精度 l意义 1. 激光扫描三维测量耗时长，精度一般 2. 市面上的3D相机虽然精度高um级价格昂贵 3. 3. 采用了正弦光栅投影和相移技术，能以较低廉的光学、电子和数字硬件设备

9、为基础，以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据。 光栅投影三维测量技术可研究的方向光栅投影三维测量技术可研究的方向 提高光栅投影三维测量精度 15X15mm 光栅投影三维测量技术可研究的方向光栅投影三维测量技术可研究的方向 l二. 提高光栅投影三维测量速度-实时性 l 2006年德国的研究人员结合几何光学中的平行光轴系统，提出的结合 三步相位移算法进行实时三维测量，测量速度高达30frame/s。 l2010年提出基于投影仪散焦的快速三维光学测量方法，实现了速度达到 667frame/s的非在线测量, l2010 K.L 提出基于双频光栅的快速实时三维测量，实时测量120frame/s l在军工、安防、电子行业产品检测具