光学三维测量技术与应用.docx

《光学三维测量技术与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学三维测量技术与应用.docx（9页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、光学三维测量技术1. 引言人类观看到的世界是一个三维世界 , 尽可能准确和完备地猎取客观世界的三维信息才能 尽可能准确和完备地刻画和再现客观世界。 对三维信息的猎取和处理技术表达了人类对客观 世界的把握力量 ,因而从某种程度上来说它是表达人类才智的一个重要标志。近年来 , 计算机技术的飞速进展推动了三维数字化技术的逐步成熟 , 三维数字化信息获 取与处理技术以各种不同的风貌与特色进入到各个不同领域之中 1: 在工业界 , 它已成为设 计进程中的一环 , 凡产品设计、 模具开发等 , 无一不与三维数字化测量有着严密的结合 ; 虚 拟现实技术需要大量景物的三维彩色模型数据 , 以用于国防、 模拟训

2、练、 科学试验 ; 大量应 用的三坐标测量机和医学上广泛应用的 CT 机和MRI 核磁共振仪器 ,也属于三维数字化技 术的典型应用 ;文化艺术数字化保存 (意大利的古代铜像数字化、中国的古代佛像数字化、 古文物数字化保存 、 3D 动画的模型建构 (电影如侏罗纪公园、太空战士 、医学争论中的 牙齿、 骨头扫描 , 甚至人类学的考古争论等 , 都可运用三维扫描仪快速地将模型扫描、 建构 ; 而随着宽频与计算机速度的提升 , Web 3D 的网络虚拟世界将更为普及 , 更带动了三维数字 化扫描技术推广到商品的电子商务、 产品简报、 电玩动画等 , 这一切都说明将来的世界是三 维的世界。目前 , 有

3、很多种方法可用来猎取目标物体的三维外形数据 , 光学三维测量技术(Optiacl Three-dimensional Measurement Techniques 由于其 “非接触 ”与 “全场 ”的特点 , 是目前工 程应用中最有进展前途的三维数据采集方法。 光学三维测量技术是二十世纪科学技术飞速发 展所催生的丰富多彩的诸多有用技术之一 , 它是以现代光学为根底 , 融光电子学、 计算机图 像处理、 图形学、 信号处理等科学技术为一体的现代测量技术。 它把光学图像当作检测和传 递信息的手段或载体加以利用 , 其目的是从图像中提取有用的信号 , 完成三维实体模型的重 构 2 。 随着激光技术、

4、 周密计量光栅制造技术、 计算机技术以及图像处理等高技术的进展 , 以及不断推出的高性能微处理器、 大容量存储器和低本钱的数字图像传感设备、 高区分率的 彩色图像显示系统等硬件设施的使用 , 不仅为光学测量领域的技术创供给了可能 , 而且为其应用前景的拓宽供给了无穷的想象空间。2. 光学三维测量技术2.1 三维测量技术当前 , 已经被实际应用的三维测量技术被分为两大类:即接触式测量 (Contact Method 与非接触式测量(Non-contact Method,具体分类如图 1 所示 3。图 1 三维测量技术的分类a 接触式测量接触式测量又称为机械测量, 即利用探针直接接触被测物体的外表

5、以猎取其三维坐标数 据。坐标测量机 (Coordinate Measuring Machine , CMM是其中 的典型代表 , 它可与 CAD/CAM/CAE 系统以在线工作方式集成在一起,形成实物仿形制造系统。 机械接触式测 量技术已格外成熟 , 具有较高的灵敏度和精度 , 随着光电技术的进步 , 近年来消灭了综合接 触与非接触优点的光电探测触头。尽管三坐标测量机获得物体外表点的坐标数据相对精度很高 ,但本身仍存在很多限制 :扫描速度受到机械运动的限制 , 测量速度慢 , 且测量前需要规划测量路径 ; 对软质材料测量 效果不好 , 对测头不能触及的外表无法测量 , 如内孔 , 对一些边缘、

6、 尖角等几何特征的区域 亦无法测量 ; 使用接触式测头需补偿测头直径 , 且由于触头会磨损 , 需常常矫正以维持精度 ; 测量仪器简单 ,对环境要求很高 ,必需防震 ,防尘 ,恒温等 ;价格昂贵。 因此 ,难以满足当 今高效率、高精度 ,大型面形的检测需要 4 。b 非接触测量法非接触式三维测量不需要与待测物体接触 ,可以远距离非破坏性地对待测物体进展测 量。图 25 给出的是非接触式三维测量技术中常用的三种电磁波谱。微波适合 于大尺 度三维 测量领 域 ,采 用三 角测量 原理 (如全球 定位系 统 , global positioning system, 简称 GPS 或者利用飞行时间法

7、(Time-of-flight , 简称 TOF , 如传统的 雷达技术猎取物体的三维信息。由于微波波长较长 ,衍射形成的爱里斑(Airy Pattern 半 径较大 , 角度区分率低 , 不能满足工业制造技术的要求 , 常用于航空航天领域。 超声波受到 波长的限制 , 区分率也不高 , 但由于可以穿透介质 , 可以实现零件材料内部的三维无损检测 探伤 ,在工业检测领域得到广泛的应用 ,但由于需要耦合介质 ,限制超声探伤的应用范围。 与微波和超声波相比 ,光波波长短 ,在 300nm ( 紫外到 3m 红(外范围内的光学 三维传感器的角度区分率和深度区分率比微波和超声波高 103 到 104

8、数量级 , 主要通过三角 法或者飞行时间法获得物体的深度信息 ,在三维测量领域运用的最多 5 。2.2 光学三维测量技术由于计算机视觉与图像检测这一兴学科的兴起和进展对物风光形的三维检测技术的 争论近年来集中于非接触的光学三维测量方面。 常用的光学三维测量根本原理有 3 种 :飞行 时间法、干预法和三角法 (见图 2 。a 飞行时间法飞行时间测量法可以分为脉冲测距法和相位差测距法。 脉冲测距法是由测量仪器发出一 个短脉冲信号 , 该信号由被测物体反射返回 , 在经过了两倍的被测距离后被传感器接收。 通 过测量同一脉冲信号从放射到接收的时间间隔 t ,即可算得被测距离值 L=c*t/2, c 是

9、光速。 相位差测距法是测距仪对激光进展调制 , 通过测量调制光波来回被测物体一次所产生的相位延迟来确定被测距离的 6, 原理如图 3 所示。图 3 飞行时间法原理飞行时间法主要优点是 :具轴的光源和反射波束保证不存在阴影和盲区 ; 对被测物体的 外表性质无限制 ; 不需要拍摄图像和作图像处理。 主要缺点是 :装置简单 , 欲形成距离图像 , 需要逐点测量 , 因而速度慢 , 从原理上就无法实现实时的深度图像。这种方法的一般区分力 可达毫米级。曾经报道的与单光子相关的时间技术 ,在 1m 的范围内深度的重现性可达 13 m。 与此相像的另一个技术是光渡越全息照相术 , 它使用短而临时的相或格外短

10、的光脉冲 来产生一个具有 “繁衍性 ”的光波阵面的运动图像 ,并利用数字重建技术 ,可到达 6.5 m 的深度区分力。激光雷达三维成像系统就是承受相位差测距法实现三维测量的 , 该系统依据相位法测距 原理 , 用激光雷达猎取三维视觉信息。 放射、 接收及扫描光学系统的全设计 , 保证了激光 雷达的空间区分力极大的信噪比 , 并且具有局部光学自动增益补偿的功能。 然而随着距离的 渐渐增大 ,由于返回信号的信噪比降低 ,均方误差随之增大 ,但在整个测距范围 3m 到 30m 内 ,测距均方误差小于 80mm 6 。b 干预法干预外形测量的思想就是条纹通过灵敏度矩阵的变化而形成的。 这种矩阵将物体的

11、几何 外形同被测的光学相位相联系。矩阵包括三个变量 :波长、折射率、照明和观看方向。由此 产生三种测量方法 :双频或多频干预法 ,折射率变化法以及两种光源干预法 7 。通过获得干 涉信息以获得三维图像的方法这种系统要求有远心摄像系统和能用多个激光频率连续照耀 物体的可变激光光源 ,从而可使用 N 个波长的激光产生干预 , N 的范围可通过傅立叶算法 来确定再利用频率域与空间域之间的傅立叶变换关系确定深度用 N 频干预法测量深度有一 个重要特征 , 即能够以超乎想象的准确度对顶蜂返回位置进展定位 , 然后通过对顶峰返回位置进展插值来确定高度值 6 。全息干预测量是把干预测量与全息照相结合起来 ,

12、 通过干预条纹有效地把位相变化状况 记录下来 , 对任意外形物体及其外表作动态三维立体图像摄影 , 并经图像重叠产生干预测量 , 可分为实测法和双重暴光法。 计算机全息干预测量是用计算机数据模型直接显示三维零件的 全息图 ,作为被测标准零件的波面 ,再与实际零件外表相干 ,即可检测出实际零件误差 6 。 利用频移的双外差干预是一种高准确度的深度测量技术。 争论显示在 100m 的测量范围 内区分力到达 0.1mm 。干预法的优点是不存在三角法中的遮挡问题。利用相移干预技术测 量区分力可优于 10nm ; 将相移分析技术、干预技术和外差技术综合起来 ,再配以周密的光 学装置 ,测量误差可到达一个

13、条纹的 1/10000 。激光跟踪式系统也承受干预原理测量距离 , 用两个高准确度的角度编码器来确定垂直角度和水平角度。激光跟踪系统是一种扫描系统 , 通常用来跟踪光学传感器或机器人的位置 6 。c 三角法光学三角法是最常用的一种光学三维测量技术, 以传统的三角测量为根底 , 通过待测点 相对于光学基准线偏移产生的角度变化计算该点的深度信息。 依据具体照明方式的不同 , 光 学三角法可分为两大类 :被动三角法和基于构造光的主动三角法。 双目视觉是典型的被动三 维测量技术 , 它的优点在于其适应性强 , 可以在多种条件下敏捷地测量物体的立体信息 , 缺 点是需要大量的相关匹配运算以及较为简单的空

14、间几何参数的校准等问题 , 测量精度低 , 计 算量较大 , 不适于周密计量 , 常用于三维目标的识别、 理解以及位形分析等场合 , 在航空领 域应用较多。 主动三维测量技术依据三维面形对于构造光场的调制方式不同 , 可分为时间调 制和空间调制两大类 , 飞行时间法是典型的时间调制方法 , 激光逐点扫描法、 光切法和光栅 投射法是典型的空间调制方法 8 。光学三维测量技术供给了各种原理不同的测量方法 , 以适应工程中不同测量精度、区分 率、 测量范围的要求。 可依据环境、 对象等特定因素之不同而选择不同的测量方法。 一般来 说, 一种测量方法中可以实现的区分率范围及其能够测量的物面尺度大小是有

15、限的 , 从而限 制了适用范围。 假设需要在更大范围内实现对物体的测量 , 则必需在测量系统中集成多种测 量方法。 三角测量法等需要图像传感器的介入 , 同时又属于图像测量的范畴 , 因而也会利用 图像分析法的一些理论。 利用多种信息融合来处理三维数据的猎取问题 , 即多感知源的信息 融合 ,这样可使问题简化 , 同时可提高处理结果的准确性、敏捷性。3. 光学三维测量技术的应用 光学三维测量技术的应用 3.1 逆向工程 逆向工程是一种的制造手段和系统，通过对已有样件或模型的内外轮廓进展准确测 量，获得其三维数据， 协作计算机软件系统进展曲面重建， 并在线精度分析、 评价构造效果， 重构 CAD

16、 模型，生成 IGES 或 STL 数据，或者生成数控加工 NC 代码，据此进展快速成型 或 CNC 数控加工，从而大大缩短产品或模具的开发制造周期。利用光学三维测量技术生成 的虚拟模型可以实现快速响应设计制造， 光学数字化系统与 CAD/CAM/CAE 以及 RP&M 3D 集成可以构成基于虚拟模型的快速响应的设计和制造系统， 主要优点包括： 实际物体的准确 和完整的模型；供给原始CAD 文件格式；曲面造型和参数实体模型；在设计和制造中节约投入的时间和资金 9 。 典型的范 最为著名的非接触测量设备要数德国 GOM 公司的 ATOS 系列三维测量仪 10 。 例如图 4 所示， a用 ATO

17、S 光学测量系统测量 Beetle 设计车模， b获得其三维数据， c 建立多边形网格曲面模型，利用 d快速成型系统或 e 数控铣床直接加工出车模。 aMeasuring&digitizing Of the carmodel bFlat shaded display of the digitized data c Polygonized datadRapid Prototyping Part based on the digitized datae Milled in Ureol, based on the digitized data 图 4 光学测量技术与 CAD/CAM/CAE 结合实例

18、图 5 所示是基于条纹投影的三维成像系统 -逆向工程实例。 图 5 条纹投影的三维成像系统实例 此外，大量光学三维测量系统的软件包中，也集成有诸如边界元方法 (EBM 、有限元方 法(FEM 等以 CAE( 计算机关心工程子模块，或供给有专业以CAE 系统的兼容接口，为工 程中的各种问题供给解决方案。 事实上， 光学三维测量技术在逆向工程中的应用已经成为最 具市场潜力的进展方向之一。 3.2 三维人体测量作为服装人体工学的重要分支， 人体测量是保障服装业设计与生产的根底性工作。 随着 计算机、自动化以及通讯技术在服装业中的广泛应用，人体测量技术在精度、速度以及数据 的存储与传输方式上都要随之变

19、革以满足服装数字化设计生产的需要。 三维人体测量是以光 学测量为根底，使用视觉设备来捕获物体外形，然后通过系统软件来提取扫描数据。其工作 流程分为以下四个步骤： 1 通过机械运动的光源照耀扫描物体； 2CCD 摄像头探测来自被扫 描物体的反射图像； 3 通过反射图像计算人体外表特定点到摄像头的距离； 4 通过软件系统 转换距离数据产生三维图像 11 。 图 6 为美国 Cyberware 的全身三维扫描系统，它承受激光光源，由激光二级管放射一束 激光到被扫描体外表，使用一个镜面组合从两个位置同时取景。从一个角度取景时，激光条 纹因物体的外形而产生形变，传感器记录这些形变，产生人体的数字图像。其

20、最大的特点是 识别并猎取身体外表颜色信息，这使得它的测量姿势更加敏捷，因此应用范围更加广泛。图 6 全身三维扫描系统 3.3 医学图像三维外表重建 现代医疗诊断常常需要借助一些关心设备为诊断供给牢靠的、完整的信息，因此，人体 组织与器官的三维成像技术在现代临床医学中起着越来越重要的作用。 目前常用的光学三维 测量方法，主要有计算机断层扫描 ,核磁共振成像和超声等，通过这些数字化设备得到人体 断层二维图像，在计算机中重建成三维图像数据，并在屏幕上显示人体器官的立体视图。医 生可以将重构出的器官图像进展旋转、 缩放等操作， 使医生能够更充分地了解病情的性质及 其四周组织的三维构造关系，从而帮助医生

21、做出准确的诊断和制定正确的手术方案 12 。 光学三维测量还广泛用于争论面部软组织形态和对称性， 比较牙齿的差异，以及外科、 骨科用于脊柱及侧凸的检测，假牙假肢的量身定做，具体实例如图 7 所示。 a 球状关节 b臀骨 图 7 生物医学成像实例 c膝部 除此之外， 光学三维测量技术还可以用于虚拟现实 供给虚拟现实系统所需要的大量三 维模型数据，展现三维景像，模拟未知环境和模型 ；文物保护三维彩色数字化技术能以 不损伤物体的手段，获得文物的三维信息和外表颜色、纹理，便于长期保存、再现等诸多领域。 4. 总结与展望 总结与展望 光学三维信息猎取技术有多种，每种方法各有其产生背景和适用范围，各有优缺

22、点。随 着现代计算机技术的飞速进步，计算机图形图像处理、关心设计、多媒体技术越来越广泛深 入地应用于工业、国防、医学、影视业、广告等各个领域，人们常常需要能快速地获得物体 外表的三维信息， 将其转变成计算机能直接处理的数据。 如何将现实世界的立体彩色信息输 入计算机的问题是光学三维测量技术的争论重点， 无论何时， 基于计算机视觉的三维信息获 取技术将显示其不行替代的重要作用。 参考文献 1 胡寅著 . 三维扫描仪与逆向工程关键技术争论 D. 华中科技大学 , 2023. 2 孙贤斌 . 三维信息猎取技术中定标与图形包含问题的争论 D. 华中科技大学博士论文 , 2023. 3 何海涛 . 简单

23、面形的光学三维测相关技术争论 D. 上海大学博士论文 , 2023. 4 郝煜栋 , 赵洋 , 李达成 . 光学投影式二维形貌测量技术综述 J. 光学技术 , 1998. 5 邵双运 . 光学三维测量技术与应用 J. 现代仪器， 2023. 6 苑慧娟 . 彩色条纹组合编码三维测量技术争论D.哈尔滨理工大学博士论文 , 2023. 7 曲睿 . 基于彩色编码方法实现物体的三维轮廓测量 D. 大连理工大学硕士论文 , 2023. 8 周利民 , 胡德洲 , 卢秉恒 . 激光扫描三角法测量精度因素的分析与争论 J. 计量学报 , 1998. 9 袁平 . 逆向工程技术的争论与工程应用 D. 昆明理工大学硕士论文 , 2023. 10南亮亮 , 刘伟军 . 逆向工程三维测量和数 据处理 A. 2023” 中国仪器仪表与测控技术交 流大会论文集二 C, 2023. 11孙可可 . 自然着装状态下非接触式人体测量技术的争论 D. 天津工业大学硕士论文 , 2023. 12 张尤赛 , 陈福民 . 三维医学图像的体绘制技术综述 J. 计算机工程与应用 ,2023.