光學(xué)三維輪廓測量技術(shù)進(jìn)展_圖文

1、第 35卷 第 3期 激 光 與 紅 外 Vol . 35, No . 3 2005年 3月 LASER & I N FRARE DMarch, 2005 綜述與評(píng)論 文章編號(hào) :100125078(2005 0320143205光學(xué)三維輪廓測量技術(shù)進(jìn)展李永懷 , 馮其波(北京交通大學(xué)理學(xué)院 , 北京 100044摘 要 :, , , , 攝 影法 , , 。關(guān)鍵詞 :; :AOvervi ew of Opti cal 3D Profile M easure mentL I Yong 2huai, FENG Q i 2bo(School of Science, Beijing J ia

2、ot ong University, Beijing 100044, China Abstract:An overvie w of s ome main op tical methods are p r ovided on 3D shape measure ment, that is ti m e 2of 2flight, structured light, phase measurement, interfer ometry and phot ogra mmetry . Advantages and li m itati ons are discussed, their current re

3、search focus and pers pective trend are p resented . Key words:3D measure ment; op tical method; overvie w1 引 言光學(xué)三維輪廓測量由于其非接觸性 、 高精度與 高分辨率 , 在 CAD /CAE、 反求工程 、 在線檢測與質(zhì)量 保證 、 多媒體技術(shù) 、 醫(yī)療診斷 、 機(jī)器視覺等領(lǐng)域得到 日益廣泛的應(yīng)用 , 被公認(rèn)是最有前途的三維輪廓測 量方法 。實(shí)現(xiàn)光學(xué)輪廓測量的方法很多 , 常見的有飛行 時(shí)間法 , 結(jié)構(gòu)光技術(shù) , 相位法 , 干涉法 , 攝影法。 圖 1 飛行時(shí)間法原理2 測量原理2

4、. 1 飛行時(shí)間法 (Ti m e 2of 2Flight 飛行時(shí)間法1可分為脈沖調(diào)制和相位調(diào)制 , 其原理如圖 1所示 。 脈沖調(diào)制法是測量系統(tǒng)發(fā)射光脈 沖到被測物體表面 , 經(jīng)其反射后被傳感器接收 , 測出 光脈沖的飛行時(shí)間 , 根據(jù)光速即可計(jì)算出其飛行距 離 。 測量精確度主要依賴于接收通道的帶寬 、 起止 激光脈沖的鑒別和時(shí)間間隔測量 , 而時(shí)間間隔的精 確測量是影響精度的主要因素 。為了提高測量精度 , 可以采用相位調(diào)制 。激光 束幅度被正弦調(diào)制 , 通過比較發(fā)射光束和接受光束 之間的位相可計(jì)算出雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離 。 由于 相位測量只有在 2內(nèi)才是單值 , 為保證測量的精 度和測

5、量范圍 , 相位法測距采用多個(gè)調(diào)制頻率 。影 響測量精度的因素包括調(diào)制頻率 、 接收功率變化 、 頻 飄及信噪比等 。采用離焦 、 鎖相 、 外差等技術(shù) , 可以 有效提高精度 。 相位調(diào)制測量法電路要比脈沖調(diào)制復(fù)雜一些 , 但是減少了帶寬 , 而且正弦波相位調(diào)制 , 作者簡介 :李永懷 (1978- , 男 , 碩士研究生 , 從事激光與光電 檢測研究。 收稿日期 :2004207222; 修訂日期 :2004210225 可以獲得大的測量視角 , 容易實(shí)現(xiàn)微鏡掃描 , 得到結(jié) 構(gòu)緊湊 、 低成本的 3D 測量系統(tǒng) 。飛行時(shí)間法的分辨力比較低 , 通常在毫米級(jí) , 其 主要優(yōu)點(diǎn)是共軸的光源和

6、反射波光束保證不存在陰 影和盲區(qū) , 不需要圖像處理 , 在大范圍測量中 , 飛行 時(shí)間法三維掃描是較好的方法 。為了提高測量精 度 , 必須提高系統(tǒng)的工作頻率。 帶寬很大、 靈敏度高、 熱穩(wěn)定性好的電子沒備使得測量裝置復(fù)雜 , 成本昂 貴 , 而且逐點(diǎn)掃描速度慢 , 無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的深度圖像。要得到三維信息 , 文獻(xiàn) 2, 個(gè)目標(biāo) , 信號(hào) , , 。 2. 2 (Structured L ight 結(jié)構(gòu)光技術(shù)3是一種主動(dòng)式三角測量技術(shù) , 其基本原理是 :由激光投射器投射可控制的光點(diǎn) 、 光條 或光面結(jié)構(gòu) , 光到物體表面形成特征點(diǎn) , 并由 CCD 攝像機(jī)拍攝圖像 , 得到特征點(diǎn)的投射角

7、, 然后根據(jù)標(biāo) 定出的空間方向 、 位置參數(shù) , 利用三角法測量原理計(jì) 算特征點(diǎn)與 CCD 攝像機(jī)鏡頭主點(diǎn)之間的距離 , 圖 2是三角法原理示意圖 。結(jié)構(gòu)光方法具有計(jì)算簡單 、 體積小 、 價(jià)格低 、 便于安裝和維護(hù)的特點(diǎn) , 在實(shí)際三 維測量系統(tǒng)中被廣泛使用 , 但是測量精度受物理光 學(xué)的限制4, 存在遮擋問題 , 測量精度與速度相互矛盾 , 難以同時(shí)得到提高 。圖 2 三角法原理2. 2. 1 光點(diǎn)式結(jié)構(gòu)光方法 激光束通過擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)成為發(fā)散角較小的光 束入射到多面體轉(zhuǎn)鏡上 , 利用轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)激光 束在被測物面垂直與水平兩個(gè)方向上的掃描 , 完成 對(duì)整個(gè)三維輪廓表面的測量 。 光點(diǎn)式三

8、角法依靠逐 點(diǎn)掃描獲得整個(gè)物體的三維形狀 , 圖像攝取時(shí)間和圖像處理量隨被測物面的增大而急劇增加 , 難以完 成實(shí)時(shí)檢測 ; 而且機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜 性與不穩(wěn)定性 ; 測量精度依測量范圍而不同 , 從幾微 米到一個(gè)毫米內(nèi) 。點(diǎn)結(jié)構(gòu)光技術(shù)比較成熟 , RVSI 提供了采樣速率 5MHz/s, 2. 25m 分辨率的 3D 測量系統(tǒng) ; 而 L M I 有 三十幾種產(chǎn)品滿足不同的測量范圍和精度 。 2. 2. 2 。 3D 測量系統(tǒng) , 但 是視場不大 , 通常為 20°30° 對(duì)外界光的抗干擾 能力差 。 采用雙光源 5、 雙目視等冗余測量方法6可以減少測量 “ 盲

9、區(qū) ” ; 通過降低散斑噪聲的影響7提高分辨力 。2. 2. 3 光面式結(jié)構(gòu)光法將二維結(jié)構(gòu)光圖案投射到被測物體表面上 , 無 需進(jìn)行掃描即可完成三維輪廓的測量 , 測量速度大 大加快 。 根據(jù)投射方式和圖案的不同 , 面結(jié)構(gòu)光技 術(shù)分為重復(fù)圖案投射法和圖案編碼投射法 。 重復(fù)圖 案法是將多光條 、 色帶 、 網(wǎng)格等圖案投射到物體表 面 , 常用的是多線和正弦光條 。 為了提高分辨力 , 必 須減小光條或網(wǎng)格間距 , 但是條紋圖案識(shí)別變得困 難 , 投射圖案與圖像圖案間的匹配是問題的關(guān)鍵 。圖案編碼分為空間編碼和時(shí)間編碼兩種 。 空間 編碼法只需一次投射就可獲得景物深度圖像 , 適合 于動(dòng)態(tài)測量

10、 , 但目前分辨力和處理速度上還不能滿 足三維視覺檢測的要求 , 而且編碼圖案易受景物表 面特性不同而產(chǎn)生的模糊點(diǎn)影響 , 發(fā)生譯碼錯(cuò)誤 , 無 法判斷出光線的投射角 。 時(shí)間編碼需要將多次不同 的投射編碼圖案序列組合起來進(jìn)行解碼 , 二進(jìn)制編 碼是較常用的方法 。 時(shí)間編碼法的解碼錯(cuò)誤大為減 少 , 但要求投射空間位置保持不變 , 而且需要多次投射 , 難以實(shí)時(shí) 。 此外還有一些其他的編碼原理如反 相位線性光柵編碼 、 等腰三角齒編碼8。面結(jié)構(gòu)光技術(shù)無需機(jī)械掃描機(jī)構(gòu) , 液晶顯示器(LCD 、 數(shù)字微鏡器件 (DMD 等空間光調(diào)制器 9的發(fā)展 , 很容易實(shí)現(xiàn)二維面結(jié)構(gòu)光的投射 , 從而可實(shí)現(xiàn)

11、 快速的全場測量 。但目前投射器件分辨力比較低 , 不易實(shí)現(xiàn)高精度的測量 。441激 光 與 紅 外 第 35卷 2. 3 相位測量法10(Phase Measure ment 投影柵相位法是三維輪廓測量中的熱點(diǎn)之一 , 其測量原理是光柵圖樣投射到被測物體表面 , 相位 和振幅受到物面高度的調(diào)制使柵像發(fā)生變形 , 通過 解調(diào)可以得到包含高度信息的相位變化 , 最后根據(jù) 三角法原理完成相位 -高度的轉(zhuǎn)換 。 圖 3是相位測 量法的典型光路圖 。根據(jù)相位檢測方法的不同 , 主 要有莫爾輪廓術(shù) 、 移相法 、 變換法 。圖 3 相位法原理2. 3. 1 莫爾輪廓術(shù)基本原理是用一塊基準(zhǔn)光柵來檢測被測輪

12、廓面 調(diào)制的像柵 , 由觀測到的莫爾圖樣繪出等高線進(jìn)而 推斷出物體的表面輪廓 。 根據(jù)布局的不同又可分為 照射莫爾和陰影莫爾 。 莫爾輪廓術(shù)利用等高線來解 調(diào)高度信息的方法 , 丟失了符號(hào)信息 , 而且只能測量 整數(shù)級(jí)相位 , 現(xiàn)代測量中使用很少 。掃描莫爾法是投影莫爾法的變形 , 利用計(jì)算機(jī) 生成的虛擬柵像和變形柵像迭加成莫爾等高線 。 由 于虛擬柵像在程序的控制下容易實(shí)現(xiàn)移相和移頻 , 移相解決了傳統(tǒng)莫爾法只能測量整數(shù)級(jí)相位的缺 點(diǎn) , 提高了測量精度 。 掃描莫爾法具有全場測量 、 裝 置簡單 、 視場范圍大等特點(diǎn) , 而且只用一幅圖解調(diào)相 位 , 適合動(dòng)態(tài)測量 , 它在檢測光滑表面時(shí)非

13、常有效 , 但受表面傾斜度 、 多義性間隔和陰影的限制 , 而且物 體表面反射率的變化嚴(yán)重干擾條紋邊緣信息 , 使測 量精度降低 。 2. 3. 2 移相法可分為時(shí)域移相和空域移相 。 時(shí)域移相測量技 術(shù)將投影到物體表面的光柵條紋移動(dòng) , 用得到圖像 進(jìn)行相位解調(diào) 。 時(shí)域移相法的計(jì)算量少 , 靈敏度高 , 但是精確移動(dòng)光柵的需要增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與不穩(wěn)定性 。 時(shí)域移相法需要至少三幅在時(shí)間軸上的相 移條紋圖 , 因此不適用于動(dòng)態(tài)測量 。移相法是這些 輪廓測量法中最有效 、 最可靠的一種 , 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商 品化 。空域相移法是采用兩個(gè)窗函數(shù)直接卷積原條紋 圖 , 從而產(chǎn)生多幅相移條紋圖 , 并

14、用時(shí)間相移法公式 計(jì)算相位 , 只需要一幅條紋圖解調(diào)相位 , 但要求載波 頻率很高 , 且背景 、 , 否則將 。 , 和對(duì)應(yīng)的 2. 3常見的方法包括傅里葉變換 、 小波變換 。傅氏 變換11輪廓測量法利用數(shù)字濾波技術(shù) , 將頻率較高的載波和頻率較低的面形分離出來 , 然后進(jìn)行反變 換 , 得到包含高度信息的相位 。傅氏變換輪廓測量 法用一幅圖得到相位值 , 數(shù)字濾波技術(shù)可以消除高 次諧波的影響 , 但是計(jì)算量大 , 使用 FFT 產(chǎn)生的泄漏 、 混頻 、 柵欄效應(yīng)產(chǎn)生誤差 ; 數(shù)字濾波器需要不斷 試錯(cuò)才能得到正確的參數(shù) 。小波變換12。傅立葉變換對(duì)曲面可測梯度極限有要求 , 同時(shí)對(duì)復(fù)雜形面

15、檢測效果很不理想 。利 用小波變換對(duì)原始圖像進(jìn)行多級(jí)小波分解 , 將原始 圖像和被測物體背景圖像相減后再對(duì)圖像進(jìn)行頻域 處理 。 由于直流分量被抑制 , 容易提取載波頻率成 分 , 提高了可測梯度 , 改善了解相的精度穩(wěn)定性 , 使 頻域解相技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得更好的效果 , 擴(kuò)大 了應(yīng)用范圍 。相位測量法目前的困難8主要有兩點(diǎn) :投影系統(tǒng)和疊相還原 。 為了產(chǎn)生投影條紋 , 用兩個(gè)相干波 前產(chǎn)生的干涉條紋作為投影機(jī)構(gòu) 。 這些方法要求良 好的機(jī)械穩(wěn)定性以及精確的機(jī)械移動(dòng)機(jī)構(gòu) , 干涉條 紋易受大氣擾動(dòng)的影響 。 LCD 、 DMD 等已成為流行 的大有前途的自適應(yīng)投影器件 , 但目前分辨力較

16、低 , 不容易實(shí)現(xiàn)高精度測量 。實(shí)現(xiàn)相位還原目前有兩種方法 。 一是用不同條 件下記錄的多幅相位圖實(shí)現(xiàn)疊相還原的時(shí)域疊相還 原技術(shù) , 如文獻(xiàn) 13使用高低兩種頻率光柵場實(shí)現(xiàn) 了去包裹 ; 文獻(xiàn) 14用小數(shù)重合法設(shè)計(jì)投影頻率 , 最終計(jì)算出絕對(duì)相位值 。 這種方法需要記錄多幅圖 樣 , 難以實(shí)時(shí) 。 二是抗噪聲的疊相還原算法 , 典型的541第 3期 激 光 與 紅 外 例子包括割線法 、 延展樹法 、 像素排序法 、 分布處理 法 、 模擬退火法 、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等 。 這些方法都取得了 一定的成果 , 但每種方法只能解決部分問題 , 疊相還 原是實(shí)現(xiàn)輪廓自動(dòng)化測量的關(guān)鍵 。 2. 4 干涉測

17、量法 (I nterfer ometery 干涉測量采用相干光源 , 一般以物波前和參考 波前的干涉條紋的形式給出測量結(jié)果 , 條紋圖形中 的光學(xué)相位信息反映了待測物面的幾何形狀 , 結(jié)合 移相 、 外差技術(shù) , 可以達(dá)到很高的精度 , 但是測量范 圍通常很小 , 并且測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)受到溫度 、 濕 度 、 氣壓等因素的極大影響 。 2. 4. 1 , M ichels on 干涉儀 , 實(shí)際的測量系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上使用了外差 、 移 相 、 多波長技術(shù) 15, 分辨率可提高到 1/100與 1/1000條紋 。圖 4 相干雷達(dá)法原理 相干雷達(dá)的另一種技術(shù)是連續(xù)波頻率調(diào)制 , 即 調(diào)頻雷達(dá) ,

18、 將鋸齒波電流作用于激光器上 , 對(duì)頻率進(jìn) 行連續(xù)調(diào)制 , 而載波頻率正比于測量距離 , 這樣就可 以確定載波頻率來獲得被測距離 。 頻率調(diào)制具有動(dòng) 態(tài)范圍大 、 分辨力高的特點(diǎn) , 通常在亞毫米級(jí) 。 其缺 點(diǎn)是頻率調(diào)制是非線性的 1以及很高的調(diào)制噪聲 ,限制了精度 。 2. 4. 2 白光干涉法16、 17采用白光做光源 , 通過定位表面各點(diǎn)的零光程 差位置來獲取各點(diǎn)的相對(duì)高度 , 通常用多幀移相算 法 , 常用的包括三幀 、 五幀移相法 。白光干涉法對(duì)光源的要求低 , 克服了單色光干 涉法需單值解相的缺點(diǎn) , 測量精度高 , 可以達(dá)到亞納 米的分辨力 ; 但是需要機(jī)械掃描機(jī)構(gòu) , 不穩(wěn)定

19、性影響分辨率 , 同時(shí)數(shù)據(jù)量龐大 , 難以實(shí)時(shí) 。目前 , W YK O 和 ZYG O 公司都有基于白光干涉原理的產(chǎn)品 。 2. 4. 3 散斑干涉法18散斑干涉原理如圖 5所示 。 用物光和參考光相 干涉形成散斑條紋 , 由 CCD 記錄 , 散斑中的相位包 含了物體的高度信息 。與投影相位法相類似 , 需要 對(duì)干涉條紋進(jìn)行相位解調(diào)和去包裹處理 , 不同的是 進(jìn)行相位 高度轉(zhuǎn)換時(shí) , 度 , 。 散斑法可以 , 但由于相位解調(diào) , 應(yīng)用受到一定限制 。圖 5 散斑干涉原理2. 5 攝影測量法 (Phot ogra mmetry 攝影測量法屬于被動(dòng)式測量 , 可分為單目視覺 法和雙目視覺法

20、。 單目視覺法只用一個(gè)攝像機(jī)來獲 取三維深度信息 , 包括聚焦法和離焦法 。聚焦法使 攝像機(jī)對(duì)被測物處于聚焦位置 , 根據(jù)透鏡成像公式來計(jì)算被測點(diǎn)對(duì)攝像機(jī)的距離 。 聚焦法原理和結(jié)構(gòu) 都比較簡單 , 但精度受鏡頭焦深和景深的限制 , 且不 同區(qū)域需要多次聚焦獲取多幅圖像 , 因而測量速度 慢 。 尋求精確的聚焦位置是問題的關(guān)鍵19。離焦法根據(jù)標(biāo)定出的離焦模型計(jì)算被測點(diǎn)對(duì)攝像機(jī)的距 離 , 該方法避免了由于尋求精確的聚焦位置而降低 測量效率的問題 , 但離焦模型的準(zhǔn)確標(biāo)定成為難 點(diǎn)20。雙目視覺法用兩臺(tái)攝像機(jī)獲取同一視場的兩幅 圖像后根據(jù)視差恢復(fù)被測面的三維信息21, 原理簡單 , 對(duì)材質(zhì)顏色等

21、物面性質(zhì)及背景光等環(huán)境因素要 求較低 , 在超大型三維物體如建筑物的測量中具有 其他方法不可替代的優(yōu)勢 ; 但需要對(duì)兩幅圖中對(duì)應(yīng) 的像點(diǎn)進(jìn)行匹配 , 盡管提出了許多匹配算法22, 立體匹配問題始終是該方法主要難點(diǎn) , 而且精度較低 ,641激 光 與 紅 外 第 35卷計(jì)算量大 , 難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量 , 目前只有在一些特定 場合得到初步的應(yīng)用 。3 結(jié) 論隨著光電技術(shù) 、 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)領(lǐng)域 廣泛的需求 , 光學(xué)三維輪廓測量技術(shù)取得了一些突 破 , 部分技術(shù)已商品化 , 但是和測量的要求相比 , 仍 有一些問題要解決 23:(1 實(shí)時(shí)測量 。 使測量系統(tǒng)能夠在線 、 動(dòng)態(tài) 、 主 動(dòng)檢

22、測與控制 , 同時(shí)不能以犧牲精度來換取速度 。 技術(shù)的關(guān)鍵一是改進(jìn)測量系統(tǒng) , 提高數(shù)據(jù)采集速度 ; 二是提高數(shù)據(jù)處理速度 , ,電路完成數(shù)學(xué)運(yùn)算 。(2, , 而 , 目前是用粉 末涂抹表面 , 影響測量精度和速度 。(3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 。 缺乏一個(gè)評(píng)價(jià)三維光學(xué)系統(tǒng)的 標(biāo)準(zhǔn)以此對(duì)測量速度和范圍 、 重復(fù)性和再現(xiàn)過程 、 標(biāo) 定過程及可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià) 。(4 大范圍高精度系統(tǒng) 。測量范圍和測量精度 往往是一對(duì)矛盾 , 難以同時(shí)兼顧 , 許多測量系統(tǒng)都進(jìn) 行了折衷 , 然而工業(yè)領(lǐng)域要求的是高精度 、 大范圍的 測量 , 這一領(lǐng)域仍需進(jìn)一步研究 。(5 360°測量 。 一臺(tái) 3D 光學(xué)傳感器

23、 , 在一次測 量中僅能獲取某一視覺的物面深度信息 , 不能完整 的反映物體的三維形狀 , 利用多個(gè)傳感器獲取能覆 蓋整個(gè)物面的多個(gè)單視角的測量結(jié)果 , 其內(nèi)容涉及 傳感器的標(biāo)定與布局優(yōu)化及信息的融合等問題 。 參考文獻(xiàn) :1 Markus 2Christian Amann, Thierry Bosch, Rist o Myllyl ¨a , et al . Laser ranging:A critical revie w of usual techniques or distance measure mentJ.Opt . Eng, 2001, 40(1 :10-19. 2 R M

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