非接觸式三維數(shù)字化檢測(cè)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)探討

1、非接觸式三維數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題探討（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 廣州 510006）摘要：本文首先分析和對(duì)比接觸式與非接觸式三維數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出非接觸式三維數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)是未來(lái)三維檢測(cè)的發(fā)展方向。然后，簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外非接觸式三維數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，著重介紹非接觸式三維數(shù)字化檢測(cè)尤其是視覺(jué)檢測(cè)方法，并深入探討其存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。最后，總結(jié)全文。關(guān)鍵詞：非接觸式檢測(cè) 研究現(xiàn)狀 視覺(jué)檢測(cè) 關(guān)鍵技術(shù) A state-of-the-art review of Non-contact 3-D Digital Detection and Inquiry of the Ke

2、y Technology ProblemMEI Qing YIN Sihua LIU Zhou LIU Zeyu YUAN Wenqiang （,Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006）Abstract: Firstly this paper makes an analasis and a comparison of the faults and adv-antages of contact and non-contact 3-D digital detection technology,points out that the

3、 non-contact 3-D digital detection technology is the development trent of future 3-D detection.Then we give a brief introduction of the art state of non-contact 3-D digital detection in domestic and overseas，place emphasis on the method for non-contact3-D digital detection particularly for optical d

4、etection ,and make a deep inquiry intoits existing key technical issues.Finally the main points of this paper are summarized.Key words: non-contact detection art state optical detection key technique0 前言在現(xiàn)代制造業(yè)中，存在著大量的檢測(cè)任務(wù)，如表面質(zhì)量與缺陷檢測(cè)、尺寸檢測(cè)以及三維輪廓檢測(cè)等1。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，各種自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備也孕育而生。目前廣泛應(yīng)用于三維輪廓檢測(cè)的方式主要有兩種：接

5、觸式和非接觸式。早期的三維測(cè)量手段主要是采用接觸式測(cè)量方法，通過(guò)傳感測(cè)頭與幾何形體表面接觸而記錄形體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)位置。運(yùn)用最為廣泛的接觸式測(cè)量設(shè)備是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。（Coordinate Measurement Machine,CMM）2這種方法由于采用的是接觸式測(cè)量，因而，測(cè)頭與被測(cè)表面接觸會(huì)有摩擦、磨損以及彈性變形，此外，它還有測(cè)量速度低，不能測(cè)量柔軟和易變形物體表面，需要進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn)。非接觸式測(cè)量方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)和電磁學(xué)等領(lǐng)域的基本原理，將一定的物理模擬量通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)換得到幾何形體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值2。隨著光電技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是光學(xué)、激光技術(shù)在測(cè)量上的

6、突破性應(yīng)用，非接觸式測(cè)量技術(shù)與接觸式相比有許多優(yōu)點(diǎn)：(1)無(wú)需半徑補(bǔ)償；(2)非接觸無(wú)損；(3)全場(chǎng)測(cè)量速度快；(4)適用樣件材料范圍廣；(5)可測(cè)受接觸探頭半徑限制的微細(xì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)以上比較可知，非接觸式三維檢測(cè)技術(shù)有著接觸式無(wú)法超越的優(yōu)點(diǎn)，它滿(mǎn)足了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)生活對(duì)檢測(cè)技術(shù)的高精度、快速、全場(chǎng)、動(dòng)態(tài)、無(wú)損、智能等要求，代表了三維檢測(cè)技術(shù)研究、應(yīng)用的主流和方向3。1 非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在國(guó)外，以視覺(jué)檢測(cè)為代表的非接觸式檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，已形成相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)規(guī)模。90年代，美國(guó) Michigan 大學(xué)在政府支持下研制成功汽車(chē)車(chē)身尺寸視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，它實(shí)際上是一臺(tái)多測(cè)頭的專(zhuān)用三坐標(biāo)

7、測(cè)量機(jī)，可實(shí)現(xiàn)車(chē)身部件及總成的在線自動(dòng)檢測(cè)，該系統(tǒng)已在美國(guó)三大汽車(chē)廠和歐洲知名汽車(chē)廠廣泛使用4。瑞典Johansson公司生產(chǎn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，采用面陣CCD攝像機(jī)作為光電接收器件，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行非接觸圖像處理，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和高速的圖像處理。英國(guó)3DScaner公司的REVERSA激光測(cè)頭掃描速度達(dá)到15000點(diǎn)秒，測(cè)量精度可達(dá)1030 um。日本三豐公司研制的三坐標(biāo)CNC圖像測(cè)量機(jī)Quick Visionke可利用其自身復(fù)雜的探測(cè)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量形狀復(fù)雜的工件，該系統(tǒng)能對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，其系統(tǒng)精度為（4.5+5L/1000）um。德國(guó)Mahr公司研制的探針式影像三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x采用激光和光學(xué)非接觸測(cè)頭

8、，利用YR-3T多功能影像、探針互鎖量測(cè)軟件，使得精度達(dá)到(3+L/200)um5。2008年，被公認(rèn)為非接觸和多元傳感測(cè)量?jī)x器的世界第一的美國(guó)OGP公司推出推出了高精度高性能的臺(tái)式幾何量測(cè)量系統(tǒng)SmartScopeVantage 300，采用變焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了可隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的功能，使得單軸測(cè)量精度達(dá)到了（2.5+L/100）um6。 圖11 美國(guó)OGP公司推出的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)的各高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)于計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的研究比國(guó)外要晚十多年才開(kāi)始進(jìn)行，但是隨著近年來(lái)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)也已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展7，針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域?qū)Ψ墙佑|視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)及儀器日益增長(zhǎng)的需求，各院校、研究機(jī)構(gòu)積

9、極開(kāi)展了對(duì)于三維非接觸視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的研究，如浙江大學(xué)、重慶大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等，內(nèi)容涉及逆向工程、快速原型制造、服裝設(shè)計(jì)、自動(dòng)加工、微小飛行器等不同行業(yè)，但尚未形成通用化的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)和儀器。天津大學(xué)精密測(cè)量技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制成功了一套轎車(chē)車(chē)身在線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整車(chē)的三維復(fù)雜型面的在線檢測(cè)，其硬件部分采用視覺(jué)測(cè)量裝置獲取圖像，速度很快，不過(guò)正如作者所說(shuō)由于圖形處理算法還處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段，需要進(jìn)一步提高算法的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，以提高檢測(cè)精度，同時(shí)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)本身還有一系列問(wèn)題需要解決，所以若真正投入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行不

10、斷完善8。張少軍等利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行零件尺寸測(cè)量，得到了很好的理論精度9。譚躍鋼等利用視覺(jué)傳感器對(duì)二維尺寸的精確測(cè)量進(jìn)行了研究10。薛婷等采用雙光條傳感器增加圖像輪廓信息，有效地提高了圓或橢圓擬合的精度11。目前已有的成型檢測(cè)設(shè)備主要針對(duì)一些小型零件以及片狀工件的尺寸及外觀的檢測(cè)。對(duì)于這些單一要素或同類(lèi)、同方向要素的測(cè)量，視覺(jué)檢測(cè)效率較高。但對(duì)于更復(fù)雜的零件檢測(cè)，視覺(jué)檢測(cè)的效率和精度還無(wú)法達(dá)到在線檢測(cè)的節(jié)拍要求7。2 非接觸式三維測(cè)量方法 根據(jù)測(cè)量原理不同，非接觸式三維測(cè)量可分為光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量和電磁測(cè)量等。 圖21 三維數(shù)據(jù)測(cè)量方法超聲波測(cè)量技術(shù)是一種傳統(tǒng)的非接觸測(cè)量方法。超聲波測(cè)

11、量技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是不受周?chē)饧半姶艌?chǎng)的干擾、工作間隙大，對(duì)惡劣環(huán)境有一定的適應(yīng)能力，價(jià)格適中。但是，這種測(cè)定方式的缺點(diǎn)是突出的，如受聲速、環(huán)境介質(zhì)等因素的干擾較大，抗干擾能力差，測(cè)試電路復(fù)雜，必須進(jìn)行多種補(bǔ)償才能獲得較高精度等。工業(yè)CT與核磁共振采用射線的方法雖然在一定程度上克服了接觸式測(cè)量法的部分局限性，但由于它們本身的特征，例如易受環(huán)境電磁波等因素的影響，響應(yīng)速度慢，易對(duì)人體造成傷害等而阻礙了它們的普遍應(yīng)用。光學(xué)非接觸式測(cè)量技術(shù)比較成功地解決了上述問(wèn)題，以其高速響應(yīng)、高分辨率而備受重視，該方法具有受環(huán)境電磁波影響小、工作距離大、測(cè)量精度高以及測(cè)量非金屬面等特點(diǎn)。隨著各種高性能器件如半導(dǎo)體激

12、光器LD、電荷耦合器件CCD、CMOS圖像傳感器、位置敏感器件PSD等的出現(xiàn)，光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，新型傳感器不斷出現(xiàn)，傳感器的性能也大幅度提高?；诟鞣N結(jié)構(gòu)光的3D非接觸式測(cè)量方法和裝置的研究與研制已進(jìn)行了多年，并且國(guó)內(nèi)外己經(jīng)成功運(yùn)用該類(lèi)型測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各種自由曲面的三維測(cè)量，在許多場(chǎng)合該技術(shù)已趨向于成熟12。 圖22 光學(xué)測(cè)量的分類(lèi)2.1 主動(dòng)測(cè)距主動(dòng)測(cè)距方法的基本思想是利用特定的、人為控制的光源和聲源對(duì)景物目標(biāo)進(jìn)行照射，根據(jù)物體表面的反射特性及光學(xué)、聲學(xué)特性來(lái)獲取目標(biāo)的三維信息。其特點(diǎn)是具有較高的測(cè)距精度、抗干擾能力和實(shí)時(shí)性。具有代表性的主動(dòng)測(cè)距方法有結(jié)構(gòu)光法、飛行時(shí)間法、和

13、激光三角法。（1）結(jié)構(gòu)光法（光條法）根據(jù)投影光束形態(tài)的不同，結(jié)構(gòu)光法又可分為光點(diǎn)式結(jié)構(gòu)光法、光條式結(jié)構(gòu)光法和光面式結(jié)構(gòu)光法等,如圖23所示。 圖23 三種結(jié)構(gòu)光法測(cè)量原理圖結(jié)構(gòu)光法是一種既利用圖像又利用可控制輻射源的測(cè)距方法，其基本思想是利用照明中的幾何信息幫助提取景物中的幾何信息。光條式結(jié)構(gòu)光法是使用結(jié)構(gòu)光的一種簡(jiǎn)單方法。結(jié)構(gòu)光條測(cè)距器主要由光條發(fā)生器和相機(jī)組成，由光條發(fā)生器發(fā)射的結(jié)構(gòu)光稱(chēng)為光平面，當(dāng)光平面投射景物時(shí)，在景物中會(huì)出現(xiàn)一系列光條圖案，因此相機(jī)獲取的景物圖像時(shí)一系列的光條圖像，在這些光條里包含了圖像所對(duì)應(yīng)景物的幾何信息。更精確的結(jié)構(gòu)光測(cè)距方法有利用光干涉條紋性質(zhì)的莫爾干涉條紋法、

14、全息激光干涉法及光衍射效應(yīng)的測(cè)距方法。 圖24 線結(jié)構(gòu)光下相機(jī)拍攝的圖像結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，對(duì)于平坦的、無(wú)明顯紋理和形狀變化的表面區(qū)域都可進(jìn)行精密的測(cè)量。其缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備和外界光線要求高，造價(jià)昂貴。目前，結(jié)構(gòu)光法主要應(yīng)用在條件良好的室內(nèi)13。（2）飛行時(shí)間法（TOF）飛行時(shí)間法，又叫做雷達(dá)測(cè)距法。它將脈沖激光信號(hào)投射到物體表面，反射信號(hào)沿幾乎相同路徑反向傳至接收器，利用發(fā)射和接收脈沖激光信號(hào)的時(shí)間差可實(shí)現(xiàn)被測(cè)量表面點(diǎn)的距離測(cè)量。用附加的掃描裝置使激光光束掃描整個(gè)被測(cè)量表面即可獲得三維形貌數(shù)據(jù)。飛行時(shí)間法主要有四種形式數(shù)字插入測(cè)量法、延遲線法、模擬插入法和差頻測(cè)相法。飛行時(shí)間發(fā)直

15、接利用光傳播特性，不需要進(jìn)行灰度圖像的獲取與分析，因此距離的獲取不受物體表面性質(zhì)的影響，可快速準(zhǔn)確地獲取景物表面完整的三維信息。但是它需要較復(fù)雜的光電設(shè)備，造價(jià)昂貴，且測(cè)量精度與設(shè)備的靈敏度有很大的關(guān)系。（3）三角測(cè)距法三角測(cè)距法又稱(chēng)主動(dòng)三角法，是基于光學(xué)三角原理，根據(jù)光源、物體和檢測(cè)器三者之間的幾何成像關(guān)系來(lái)確定空間物體各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，它常用激光作為光源，用CCD相機(jī)作為檢測(cè)器。三角測(cè)距法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其中激光三角測(cè)距法（如圖24所示）是目前最成熟，應(yīng)用最廣的一種方法，它的測(cè)量速度較快，準(zhǔn)確度高，測(cè)量精度可以達(dá)到1um，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、測(cè)控、航空、航天、軍事等領(lǐng)域。其不足之處

16、在于當(dāng)光束投射到物體表面上時(shí)，由于被測(cè)表面散射光含有正反射成分且被測(cè)表面傾斜引起接收光功率的質(zhì)心偏移，所以測(cè)量精度隨入射角（光束與被測(cè)點(diǎn)法線的夾角）的增加而降低，有時(shí)甚至使測(cè)量失效。 （a）直入射式 （b）斜入射式圖24 激光三角法測(cè)量原理圖圖25 基于激光三角法測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖2.1 被動(dòng)測(cè)距被動(dòng)測(cè)距技術(shù)是目前研究最多、應(yīng)用最廣的一種距離感知技術(shù)。它不需要人為地設(shè)置輻射源，只利用場(chǎng)景在自然光照下的二維圖像來(lái)重建景物的三維信息，具有適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)手段靈活、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。但是這種方法是用低維信號(hào)來(lái)計(jì)算高維信號(hào)的，所以其計(jì)算復(fù)雜。被動(dòng)測(cè)距按照使用的視覺(jué)傳感器數(shù)量可分為單目視覺(jué)、雙目視覺(jué)和三（多）目視覺(jué)

17、三大類(lèi)。（1）單目視覺(jué)單目視覺(jué)是指僅利用一臺(tái)照相機(jī)拍攝一張相片來(lái)進(jìn)行測(cè)量。因僅需要一臺(tái)相機(jī)，所以該方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相機(jī)標(biāo)定容易，同時(shí)還避免了立體視覺(jué)的小視場(chǎng)問(wèn)題和匹配困難問(wèn)題。（如圖26所示） 圖26 單目視覺(jué)測(cè)量示意圖單目視覺(jué)方法又可分聚焦法和離焦法兩類(lèi)14。聚焦法是指首先使相機(jī)相對(duì)于被測(cè)點(diǎn)處于聚焦位置，然后根據(jù)透鏡成像公式求得被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于相機(jī)的距離。相機(jī)偏離聚焦位置會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，因此尋求精確的聚焦位置是關(guān)鍵所在。而離焦法不要求相機(jī)相對(duì)于被測(cè)點(diǎn)處于聚焦位置，而是根據(jù)標(biāo)定出的離焦模型計(jì)算被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于相機(jī)的距離，這樣就避免了由于尋求精確的聚焦位置而降低測(cè)量效率的問(wèn)題，但離焦模型的準(zhǔn)確標(biāo)定

18、是該方法的主要難點(diǎn)。（2）雙目視覺(jué)雙目視覺(jué)的基本原理是從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差（視差）來(lái)獲取景物的三維信息。這一過(guò)程與人類(lèi)視覺(jué)感知過(guò)程是類(lèi)似的。（如圖27所示）圖27 雙目視覺(jué)測(cè)量示意圖在雙目視覺(jué)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，通常采用兩個(gè)攝像機(jī)作為視覺(jué)信號(hào)的采集設(shè)備，通過(guò)雙輸入通道圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，把攝像機(jī)采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、濾波、強(qiáng)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終向計(jì)算機(jī)提供圖像數(shù)據(jù)。一個(gè)完整的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)通?？煞譃閿?shù)字圖像采集、相機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)處理與特征提取、圖像校正、立體匹配、三維重建六大部分，如圖28所示。圖28 一個(gè)完整

19、的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)（3）三（多）目視覺(jué) 三（多）目視覺(jué)系統(tǒng)是對(duì)雙目視覺(jué)系統(tǒng)的一種拓展。所謂多目視覺(jué)系統(tǒng)，就是采用多個(gè)攝像機(jī)設(shè)置于多個(gè)視點(diǎn)，或者由一個(gè)攝像機(jī)從多個(gè)視點(diǎn)觀測(cè)三維景物的視覺(jué)系統(tǒng)。（如圖29所示）圖29 三目視覺(jué)測(cè)量示意圖對(duì)三（多）目系統(tǒng)所采集到的景物圖像進(jìn)行感知、識(shí)別和理解的技術(shù)被稱(chēng)為三（多）目視覺(jué)系統(tǒng)技術(shù)。在雙目視覺(jué)中，對(duì)于給定的物體距離，視差與基線長(zhǎng)度成正比，基線越長(zhǎng)，對(duì)距離的計(jì)算越精確。但是當(dāng)基線過(guò)長(zhǎng)時(shí)，需要在相對(duì)較大的視覺(jué)范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，從而增加計(jì)算量。利用多基線立體匹配是消除誤匹配、提高視差測(cè)量準(zhǔn)確性的有效方法之一1517。基線數(shù)目的增加可以通過(guò)增加相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。三（多）目視

20、覺(jué)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以利用第三個(gè)（或多個(gè)）相機(jī)所提供的額外的極線約束來(lái)解決局部雙目匹配存在的，有多個(gè)候選區(qū)配點(diǎn)的不確定性而引起的誤匹配問(wèn)題18。3 非接觸式三維檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題在非接觸式三維檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，需要特別考慮視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)（儀器）、傳感器測(cè)量單元等的如下性能：（1）標(biāo)定和測(cè)量的高精度；（2）通用性、統(tǒng)一性；（3）可靠性；（4）靈活方便性；（5）實(shí)用性。下面對(duì)三維視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題作如下闡述：一、 檢測(cè)系統(tǒng)硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的多功能、柔性設(shè)計(jì)，視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及基于 DSP、FPGA 等實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)的搭建。目前絕大部分的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)都

21、是針對(duì)某種專(zhuān)門(mén)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的，僅能完成單一產(chǎn)品一些特定尺寸的檢測(cè)工作，缺乏通用性和柔性，因此通用性是設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)所應(yīng)考慮的一個(gè)重要方面。對(duì)于視覺(jué)傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)及誤差分析的研究已相對(duì)成熟，Aguilar19分析了雙目立體視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)總體測(cè)量精度及可靠性的影響。王昉20詳細(xì)分析了雙目立體視覺(jué)傳感器及光條視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)同測(cè)量精度之間的關(guān)系，并為滿(mǎn)足大工作距離的需要，分別對(duì)兩種傳感器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于圖像處理硬件化的研究國(guó)外有成功案例。目前，應(yīng)用最廣泛的DSP處理器是TI公司的TMS320系列DSP，針對(duì)圖像處理，TI公司先后推出TM320SDM642和DaVinchi系列處理

22、器。Altera公司的Cyclone 系列FPGA是圖像處理中應(yīng)用最廣泛的一款處理器，含有460868416個(gè)邏輯單元，具有1.1Mbit嵌入存儲(chǔ)器，支持外部存儲(chǔ)器接口及差分或單端I/O標(biāo)準(zhǔn)。二、 攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)包括攝像機(jī)畸變系數(shù)在內(nèi)的攝像機(jī)內(nèi)外部參數(shù)的標(biāo)定技術(shù)，是三維視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)，在很多情況下，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的性能往往取決于攝像機(jī)參數(shù)的標(biāo)定精度。攝像機(jī)標(biāo)定是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定相機(jī)的幾何模型參數(shù)（如圖31所示）。它的目的在于確定相機(jī)的位置、屬性參數(shù)和建立成像幾何模型，以便確定空間坐標(biāo)系中物體點(diǎn)與它在圖像平面上像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前常見(jiàn)的相機(jī)標(biāo)定技術(shù)大致可歸結(jié)為三類(lèi)，即傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定方法，相機(jī)

23、自標(biāo)定方法和主動(dòng)視覺(jué)標(biāo)定方法。傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定方法是指在一定的相機(jī)成像幾何模型下，基于特定的實(shí)驗(yàn)條件，經(jīng)過(guò)對(duì)其圖像進(jìn)行處理，利用數(shù)學(xué)變換和計(jì)算方法，計(jì)算相機(jī)成像幾何模型的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。相機(jī)自標(biāo)定方法不依賴(lài)于標(biāo)定參照物，只利用相機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周?chē)h(huán)境的圖像與圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。主動(dòng)視覺(jué)標(biāo)定方法適用于相機(jī)運(yùn)動(dòng)已知或運(yùn)動(dòng)可控制的場(chǎng)合，通?？梢跃€性求解。相機(jī)標(biāo)定是視覺(jué)檢測(cè)中一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題，相機(jī)成像幾何模型建立的有效與否，將直接關(guān)系到空間景物三維重建的精度。 圖31 相機(jī)標(biāo)定原理圖 三、 視覺(jué)傳感器標(biāo)定技術(shù)組成視覺(jué)傳感器的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定完成后，還必須確定視覺(jué)傳感器參數(shù)，對(duì)于基于

24、雙目立體視覺(jué)的傳感器而言，即為確定兩個(gè)攝像機(jī)之間的位姿關(guān)系，對(duì)于線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器而言，則是標(biāo)定攝像機(jī)像平面與光平面之間的位姿關(guān)系或建立在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的光平面方程。天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了針對(duì)不同測(cè)量特征的多種視覺(jué)傳感器類(lèi)型（雙目立體視覺(jué)傳感器，光條結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器，十字線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器及液晶編碼光柵立體視覺(jué)傳感器等），但是這些傳感器結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、模型多樣性，造成不同類(lèi)型檢測(cè)功能的視覺(jué)傳感器標(biāo)定不統(tǒng)一、維護(hù)困難。因此在未來(lái)的研究中，視覺(jué)傳感器標(biāo)定技術(shù)仍將是視覺(jué)檢測(cè)的一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題。四、 高精度亞像素圖像處理技術(shù)高精度圖像處理技術(shù)是三維視覺(jué)測(cè)量的基礎(chǔ)

25、和關(guān)鍵技術(shù)，無(wú)論是標(biāo)定參照物特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)的精確提取，還是被測(cè)物特征被傳感器投射光樣（主要為結(jié)構(gòu)光條）截得的變形特征線的提取，都需要高精度的亞像素圖像特征提取技術(shù)，圖像處理的精度將直接影響到系統(tǒng)的測(cè)量精度。高精度亞像素圖像處理算法建立在高質(zhì)量圖像和精確預(yù)定義模式特征的基礎(chǔ)上。在高精度應(yīng)用場(chǎng)合，待處理的圖像特征點(diǎn)是應(yīng)當(dāng)預(yù)先定義的，其模式和圖像質(zhì)量可以控制，利用亞像素算法，可以將特征點(diǎn)的處理精度提高到亞像素甚至更高的水平。在圖像質(zhì)量嚴(yán)格保證的前提下，已經(jīng)能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)約0.01像素的細(xì)分精度。五、 全局標(biāo)定技術(shù)在多傳感器視覺(jué)檢測(cè)（MSVI）系統(tǒng)中，由眾多的視覺(jué)傳感器組合成完整的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)一工件進(jìn)行測(cè)

26、量，由于各個(gè)視覺(jué)傳感器只能提供自己局部世界坐標(biāo)系下的工件尺寸偏差，必須通過(guò)適合的靶標(biāo)、電子經(jīng)緯儀等外部測(cè)量設(shè)備，利用全局標(biāo)定技術(shù)將所有視覺(jué)傳感器統(tǒng)一到全局測(cè)量世界坐標(biāo)系下，使整個(gè)三維視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)成為一個(gè)可靠、獨(dú)立的測(cè)量系統(tǒng)。全局標(biāo)定精度決定了整個(gè) MSVI 系統(tǒng)的測(cè)量精度。羅明21對(duì)全局標(biāo)定方法進(jìn)行了詳細(xì)的討論，提出了同名坐標(biāo)統(tǒng)一法和中介坐標(biāo)統(tǒng)一法，隨之發(fā)展成熟的雙目傳感器全局標(biāo)定技術(shù)也在天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主持的大眾、一汽等白車(chē)身固定式激光視覺(jué)檢測(cè)站中獲得了良好的應(yīng)用。六、測(cè)量控制、數(shù)據(jù)分析管理等軟件技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量控制軟件負(fù)責(zé)接收外部的控制信號(hào)開(kāi)始測(cè)量，在測(cè)量完成后將測(cè)

27、量結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生各種報(bào)警信號(hào)及控制信號(hào)。數(shù)據(jù)管理與分析軟件負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)的管理以及完成局域網(wǎng)用戶(hù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的查詢(xún)和分析。它包括后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)前臺(tái)軟件，一般的局域網(wǎng)用戶(hù)采用前臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢(xún)和分析功能，數(shù)據(jù)庫(kù)采用 SQL Server 進(jìn)行后臺(tái)管理，可以由專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)。測(cè)量控制、數(shù)據(jù)分析管理等軟件根據(jù)不同的三維檢測(cè)任務(wù)進(jìn)行定制，以完成數(shù)據(jù)的測(cè)量、顯示、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和分析。七、系統(tǒng)組建技術(shù)在多傳感器視覺(jué)檢測(cè)（MSVI）系統(tǒng)中，采用 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接各視覺(jué)傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)分布式的總線型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、組建簡(jiǎn)明、擴(kuò)展容易。采用循

28、環(huán)冗余 CRC 校驗(yàn)，具有錯(cuò)誤判斷及自動(dòng)重發(fā)功能，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率低于，可以解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)干擾環(huán)境中的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊可靠性問(wèn)題。CAN 總線技術(shù)已在實(shí)際中獲得良好的應(yīng)用，具體可參見(jiàn)文獻(xiàn)22,23。4 結(jié)論 隨著現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)進(jìn)程的不斷深入，人們對(duì)伴隨其發(fā)展的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量法不僅耗時(shí)而且效率低，同時(shí)測(cè)量過(guò)程需要人工干預(yù)，還需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行探頭損傷及探頭半徑補(bǔ)償，尤其對(duì)大尺寸物體檢測(cè)更加困難，不適宜在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。在光電技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的帶動(dòng)下，以視覺(jué)檢測(cè)為代表的非接觸式檢測(cè)技術(shù)以其高精度、快速、全場(chǎng)、動(dòng)態(tài)、無(wú)損、智能的特點(diǎn)受到了國(guó)內(nèi)

29、外學(xué)者和工程技術(shù)人員的青睞，必將會(huì)成為未來(lái)三維檢測(cè)技術(shù)的趨勢(shì)與發(fā)展方向。通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外非接觸式三維檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和探討其存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，我們清晰地認(rèn)識(shí)到我國(guó)的非接觸式三維檢測(cè)技術(shù)相比于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家仍然有很大的差距，此外，非接觸式三維檢測(cè)領(lǐng)域存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題必將會(huì)成為未來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，這對(duì)于我國(guó)提升自身的非接觸式三維檢測(cè)技術(shù)水平、追趕國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，既是機(jī)遇更是挑戰(zhàn)。參 考 文 獻(xiàn)1 王富治. 視覺(jué)檢測(cè)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題研究：博士學(xué)位論文. 成都，電子科技大學(xué)，20112 出曉嵐. 集成于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的激光三角法測(cè)量系統(tǒng)：博士學(xué)位論文. 廈門(mén)，廈門(mén)大學(xué)，20093 林朝輝. 光學(xué)三維形體檢測(cè)及重構(gòu)研究：碩士學(xué)位論文. 上海，上海大學(xué)，20044 薛婷. 三維視覺(jué)檢測(cè)儀器化關(guān)鍵技術(shù)研究：博士學(xué)位論文. 天津，天津大學(xué)，20065 om/szbcly-yxs.htm6 7 弓宇，零件多要素三維測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：博士學(xué)位論文.北京，機(jī)械科學(xué)研究總院，20138 邾繼貴，于之靖.視覺(jué)測(cè)量原理與方法. 北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2011.49 張少軍,艾嬌健.利用數(shù)字圖像處理技術(shù)測(cè)量幾何尺寸J.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 24(