光学三维测量技术综述精选文档

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光学三维测量技术综述

1．引言

客观景物三维信息的猎取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工

程、生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。

三维测量办法总的包括两大类，接触式以及非接触式。如图所示。

图三维测量办法分类

接触式的三维测量办法到目前为止差不多进展了非常长一段时刻，这方面的技术理论差不多很完善和成熟，因此，在实际的测量中会有比较高的准确性。但

是虽然这样，还是会有一些缺点[2]：

(1)在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就非常容易造成被测物体表面的划伤。

(2)接触式测量设备在通过长时刻的使用之后，测量头有时会浮现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成妨碍。

(3)接触式测量要依赖测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率依然相当低的。

接触式三维测量技术进展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该办法基于周密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。同时该办法如今差不多得到了广泛的应用，特殊是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都能够挪移，而且测量头能够到达被测物体上的任意一具位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就能够得到该位置的坐标，而且能够达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还别太现实。

非接触式三维测量技术普通经过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法等非光学的非接触式三维测量办法也都能够测量物体的内部及外部结构的表面信息，且别需要破坏被测物体，然而这种测量办法的精度别高。而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD/CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的

应用,被公认是最有前途的三维轮廓测量办法[3]。由于光别能深入物体内部，所

以光学三维测量只能测量物体表面轮廓，所以，本文中所言光学三维测量即指光学三维轮廓测量，此后别再单独解释。

光学三维测量技术总体而言能够分为主动式光学三维测量和被动式光学三维测量，依照具体的原理又能够分为双目立体视觉测量法、离焦测量法、飞翔时刻法、激光三角法、莫尔轮廓术和结构光编码法等。下面就刚才提到的几种光学三维测量技术的原理举行逐一说解。

2.测量原理

被动式光学三维测量

双目立体视觉测量法

双目成像采纳视觉原理来获得同一场景的2幅别同图像。经过对物体上同一点在2幅图像上的2个像点的匹配和检测,能够得到该点的坐标信息。测量原理如图所示。设摄像机基线长为B,视差定义为D=P1-P2,其中P1、P2为空间点W(X,Y,Z)在2像面上的投影点,则由几何关系可得Z=Bf/D。计算出物点的深度坐标后,其它2个坐标能够经过简单的几何透视关系得出。双目视觉成像原理简单,但由于需要在两幅图像中寻觅对定点的匹配,实际计算过程较为复杂。

图双目立体视觉法三维测量原理图

离焦测量法

离焦测量法依照标定出的离焦模型计算被测点相关于摄像机的距离。测量模型如图所示。参考点A成像在像平面上的A'点,物体表面上的B点成像在B'点,则在像面上形成两个像点B1和B2,测出两点之间的距离则能够得到物体上点B的坐标。镜头前挡板上挖的两个小孔保证了探测器上最外围的两像点是由轴上物点形成的。离焦测量法幸免了寻觅精确的聚焦位置,但却增加了标定过程的复杂性。另外，由于每次只能猎取一具轴上点的三维坐标，因此离焦测量法需要经过二维扫描来完成物体轮廓面上各离散点的坐标测量，所以测量效率比较低。

图离焦测量法原理图

主动式光学三维测量

飞翔时刻法

飞翔时刻法(TimeofFlight，简称TOF)简单而言算是经过激光或者其他光源脉冲发射时刻，经过测量飞翔时刻达到测量的目的，测量系统模型如图所示。该测量办法具体如下：首先利用系统发射的激光或其他光源脉冲照耀被测物体，经过反射原理到达系统接收器接收，就能够计算出激光或者其他光源脉冲的运行时刻及距离。经过对被测量物体外部形态逐步扫描在经过数据处理得到物体的三维原始外貌。该测量办法运用激光或者其他光源脉冲飞翔时刻举行及接收器的带宽、灵敏度等举行测量，同时时刻间隔的误差在一具非常小的范围

之内。所以运用飞翔时刻法的测量系统目前误差差不多达到微米级[3]。

为了进一步使该系统的测量精度提高，目前比较常用的办法是提高测量系统工作时的频率，并且能够经过相位调制的办法。当激光束幅度被正弦波调制时，测量系统与被测物体之间的距离就能够由发射光束和接收光束之间的相位差得到。相位调制测量办法与脉冲调制办法相比较要复杂许多，但是减小了带宽，而且经过正弦波相位调制可以获得比较大的测量视角。基于飞翔时刻法的测量系统装置复杂，并要求配备带宽大、灵敏性高以和热稳定性好的电子设备，因而造价偏高，这些因素制约了事实上际应用。

图飞翔时刻法原理图

激光三角法近年来随着激光技术的进展,激光三角形法逐渐得到广泛应用。它所采纳的光源要紧有些结构、线结构和双线结构。其基本原理是光学三角形原理,如图所示。由图能够得到

=/tan(),arctan(/)LBdfαγγ-=(2.2-1)

由此能够得到深度信息L。这种办法具有原理简单、测量速度快和精度高等优点;缺点是对物体表面特性和反射率、复杂程度等有较大限制[4]。

图激光三角法

莫尔轮廓术

莫尔轮廓术又能够称为莫尔等高线法，是一种非接触式三维测量办法，1970年由首次提出。莫尔轮廓术得到莫尔条纹的办法如下：一具基准光栅和投影到三维物体表面上受到物体表面高度调制的变形光栅叠合来形成莫尔条

纹，而该条纹描绘出了被测物体的等高线，然后依照莫尔条纹的分布规律就能够得出被测物体的表面形貌。从那个基本原理动身，浮现了几类别同布局的莫尔轮廓装置，要紧为影像莫尔法、投影莫尔法和扫描莫尔法以及移相莫尔法等。

(1)影像莫尔法

影像莫尔法(shadowmoirémethod)采纳基准光栅,把它放在靠近被测物体表面处,用点光源或平行光源照耀基准光栅,并在另一侧经过基准光栅观看物体,形成干涉条纹,如图所示。鉴于此原理,影像莫尔法的测量范围必须小于所使用基准光栅的范围,而制作大面积、高精度的基准光栅十分困难,因此只适合测量较小尺寸的物体。另外,当被测物体表面梯度变化较大时,投影到表面的栅线易发生散射而变得含糊,限制了被测物体的可测景深,因此只适合测量表面变化较为缓慢的物体。

图影像莫尔法原理

(2)投影莫尔法

投影莫尔法利用光源将基准光栅通过聚光透镜投影到被测物体表面,经物体表面调制后的栅线与观看点处的参考栅相互干涉,从而形成莫尔条纹。它与影像莫尔法的要紧区不在于在投影光和接收器附近各放置1个光栅,如此就可用较小的高密度栅板代替较大尺寸的基准栅板来检测较大的物体,扩大了检测物体的范围。普通,这种办法的检测精度和条纹分辨率没有影像莫尔法高。

上述两种办法是经过基准栅和试件栅之间的干涉形成莫尔条纹,所得的条纹图是等高线,经过分配条纹级次和确定条纹中心来解调等高线上的高度信息,对所得条纹的处理分析包括条纹中心线的跟踪、条纹级数的确定和表面凸凹性的判不等,这就限制了应用过程的自动化。并且,此种办法别适合测量表面梯度变化较大的物体。为了弥补此方面的缺点,可经过挪移条纹或采纳复合栅代替单一频率的栅线。

图扫描莫尔法原理图

（3）扫描莫尔法

在阴影莫尔法和投影莫尔法中，如要推断得出被测物体表面的凹凸事情，只能从莫尔等高线上动身，所以就非常难在计量中举行确定。为了使莫尔法可以满脚三维面形的自动测量，在投影莫尔法中能够使一块基准光栅（投影系统中的光栅G1或成像系统的光栅G2）沿垂直于栅线方向做弱小地挪移，然后关于目标物体表面的凹凸事情能够采纳莫尔条纹并且挪移的方一直确定。假如类似于投影莫尔法测量，然而在成像系统中别用第二块基准光栅去观看，而是像电视扫描那样经过电子扫描的办法得到观看的基准光栅，这种办法就称为扫描莫尔法，它的基本原理如图所示。实际中替代第二块基准光栅的扫描线能够利用计算机图像处理系统去加入，这就意味着只要经过图像系统（包括摄像输入）猎取一幅变形的光栅像，所以要想得到莫尔条纹，只要采纳计算机得到光栅的办法就能够得到。经过计算机产生的第二块基准光栅的周期和光栅的挪移都容易改变，这种扫描莫尔法的图像系统可以实现三维面形的自动测量。

综上所述，莫尔轮廓术的要紧特点在于：

○1可以对三维物体的粗糙表面形貌举行测量，也可以对镜面形貌测量以及大尺寸的物体表面测量。测量的灵敏度能够在非常大范围内举行调整；

○2对测量装置的稳定性要求别高而且装置简单可靠，对外界条件要求别严格，相干光源和非相干光源都能够适用；

○3易于和高速摄影技术相结合，适合测量动态三维形貌，易于和电子计算机技术相结合，来获得莫尔条纹的数字输出和实现虚拟光栅技术。

结构光投影法

依照光学测量系统的投射模式,结构光投影法可以为以下几种：点结构光投影法、线结构光投影法、多线结构光投影法、网格结构光投影法、面结构光投影法。点结构光投影法即为激光扫描法，而多线结构光投影法能够视为面结构光投影法的一种特例，因此这个地方只讨论线结构光投影法和面结构光投影法。

（1）线结构光投影法

线结构光投影法也能够以光带模式投影法命名。在测量时投射系统产生的光束在空间中由于一具柱面镜的作用浮现一窄的平面狭缝光，当与被测物体的表面相交时，在被测物体的表面上产生了一具亮的光条纹。该光条纹因为被测物体表面深度的变化和也许的间隙从而受到调制，表现为图像的光条纹发生了

别同变化和别持续，而且被测物体高度越高，所得图像的畸变程度越大，而被测物体表面之间的物理间隙则能够经过所得图像的别延续性得出[5]。线结构光

投影的要紧目的算是从发生了别同变化的光条纹的图像数据中获得被测物体表面深度的三维数据。

线结构光投影法能够视为点结构光投影法的扩展。相关于点结构光投影法来讲，线结构光投影法大大提高了测量效率，而测量精度相比之言不过略低，此办法在商业上猎取三维深度信息的应用差不多很成熟。

（2）面结构光投影法

在线结构光投影法的基础之上，井口征士等人提出了一种更为优越的结构光投影法，算是面结构光投影法的。即将各种模式的面结构光投影到被测物体，在面结构光被投影到目标物体之时，假如从与投影光轴方向别同的观测点方一直看，在目标物体表面产生由于物体形状的凹凸变化而随之发生畸变的面结构光条纹，这种畸变是由于所投影的面结构光条纹收到目标物体的表面形状的调制所引起的，因此被测物体表面形状的三维信息也就包含在内。

基于面结构光投影法是在目标物体的表面一次性眨眼投影并猎取目标物体表面形状的三维空间坐标，并且相关于线结构光投影法来讲，其优点是准确和快捷以及高数据空间分辨率等，因此，其是结构光投影法往后进展的必定趋势。在面结构光投影法测量系统中，能够投射多种模式的结构光，如水平光栅条纹、垂直光栅条纹、符号条纹等。

其中，光栅投射三维面形测量技术属于三角法这一范畴，经过一次测量就能够获得所投射的表面的所有三维数据，而且测量速度快。此原理要紧是采取投射几何关系完成对物体表面条纹和参考平面条纹之间的相位差及其相对高度的关系的建立，这就可以得到被测物体表面和参考平面之间的高度差。

将一正弦光栅以发散或者准直的方式以和观看方向成某一角度投射到漫反射的物体表面之上，因为物体表面的高低别平，所以在另外一具方向上观看投射条纹，就能够得到变形了的光栅像，利用傅里叶变换办法或者相移技术就能够从变形了的光栅像中提取到高度调制的条纹相位信息，然后再与参考平面条纹的相位值相比较，得到与参考平面的相位差，通过高度和相位展开的映射关系，就能够得到被测物体三维空间坐标，对被测物体三维面形举行重建。

基于正弦光栅投射的三维面形测量办法的基本原理如图所示。

图基于正弦光栅的三维面形测量原理图

(2.2-2)

其中,代表条纹的背景;为物体表面反射率的变化;是投影到参考面的光栅图样的空间频率;相位则对应着物体上各点的高度。能够看出,并且记录了物体的几何形状信息和纹理信息。经过对的处理就能够得到物体的三维信息。

由变形的光栅条纹中提取相位要紧有傅里叶变换，卷积解调法，相移法等几种办法。下面分不对其举行介绍。

傅里叶变换法（FTP）提取相位

令

(2.2-3)

则，式可写为：

(2.2-4)

对其举行傅里叶变换后得到：

(2.2-5)

在频域中，设计一具带通滤波器来分离出其中的一具基频重量

然后再把它移到频谱的原点，继而再对其举行IFFT就会获得时域中的c(x,y)重量。下面我们使用Im和Re分不表示c(x,y)的虚部和实部，这么条纹的相位主值可由公式求解：

(2.2-6)

最终，我们对反正切函数举行求解就能够获得条纹的相对相位。

FTP轮廓测量法的流程如图所示：

()()()()0,,,2,Ixyaxybxycosfxxyπ?=++????,()axy,()bxy0f(),xy?,()hxy(),Ixy

图FTP的测量流程图

相移法提取相位

相移法(PhazeShifitingMethod)利用投射多幅相位别同的编码光栅来求解相位的。本文中我们投影的为正弦光栅，接下来就以正弦光栅为例。假设总共投射(3)NN≥幅光栅图像，这么相邻的两幅编码光栅图像的相位之差值为2/Nπ，若nI表示第n幅图像上点的光强，则有式和：

(2.2-7)

(2.2-8)

相移法有如下一些优点：

(1)由式可知，由于采纳光强相减运算，因此该办法对对照度、噪声、背景等因素的变化别敏感。

(2)相移法是采纳逐点处理的，因此任意形状的条纹图都能够使用该办法。

(3)由于相移法直截了当测量变形光栅条纹的相位值，其精度相当令人中意，而且非常容易实现自动测量。

然而，相移法也有一些有待于进一步改进的地点：

(1)相移法要求所使用投影光栅