光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)綜述精選文檔

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光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)綜述

1．引言

客觀景物三維信息的獵取是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、三維重建以及三維成像技術(shù)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，被測(cè)物體的三維信息的快速、準(zhǔn)確的獲得在虛擬現(xiàn)實(shí)、逆向工

程、生物與醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。

三維測(cè)量辦法總的包括兩大類(lèi)，接觸式以及非接觸式。如圖所示。

圖三維測(cè)量辦法分類(lèi)

接觸式的三維測(cè)量辦法到目前為止差不多進(jìn)展了非常長(zhǎng)一段時(shí)刻，這方面的技術(shù)理論差不多很完善和成熟，因此，在實(shí)際的測(cè)量中會(huì)有比較高的準(zhǔn)確性。但

是雖然這樣，還是會(huì)有一些缺點(diǎn)[2]：

(1)在測(cè)量過(guò)程中，接觸式測(cè)量必須要接觸被測(cè)物體，這就非常容易造成被測(cè)物體表面的劃傷。

(2)接觸式測(cè)量設(shè)備在通過(guò)長(zhǎng)時(shí)刻的使用之后，測(cè)量頭有時(shí)會(huì)浮現(xiàn)形變現(xiàn)象，這無(wú)疑會(huì)對(duì)整個(gè)測(cè)量結(jié)果造成妨礙。

(3)接觸式測(cè)量要依賴測(cè)量頭遍歷被測(cè)物體上所有的點(diǎn)，可見(jiàn)，其測(cè)量效率依然相當(dāng)?shù)偷摹?/p>

接觸式三維測(cè)量技術(shù)進(jìn)展已久，應(yīng)用最廣泛的莫過(guò)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。該辦法基于周密機(jī)械，并結(jié)合了當(dāng)前一些比較先進(jìn)技術(shù)，如光學(xué)、計(jì)算機(jī)等。同時(shí)該辦法如今差不多得到了廣泛的應(yīng)用，特殊是在一些復(fù)雜物體的輪廓、尺寸等信息的精確測(cè)量上。在測(cè)量過(guò)程中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量頭在世界坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸上都能夠挪移，而且測(cè)量頭能夠到達(dá)被測(cè)物體上的任意一具位置上，只要測(cè)量頭能到達(dá)該位置，測(cè)量機(jī)就能夠得到該位置的坐標(biāo)，而且能夠達(dá)到微米級(jí)的測(cè)量精度。但由于三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量系統(tǒng)成本較高，加之上述的一些缺點(diǎn)，廣泛應(yīng)用還別太現(xiàn)實(shí)。

非接觸式三維測(cè)量技術(shù)普通經(jīng)過(guò)利用磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科中的物理量測(cè)量物體表面點(diǎn)坐標(biāo)位置。核磁共振法、工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描法、超聲波數(shù)字化法等非光學(xué)的非接觸式三維測(cè)量辦法也都能夠測(cè)量物體的內(nèi)部及外部結(jié)構(gòu)的表面信息，且別需要破壞被測(cè)物體，然而這種測(cè)量辦法的精度別高。而光學(xué)三維輪廓測(cè)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(cè)與質(zhì)量保證、多媒體技術(shù)、醫(yī)療診斷、機(jī)器視覺(jué)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(cè)量辦法[3]。由于光別能深入物體內(nèi)部，所

以光學(xué)三維測(cè)量只能測(cè)量物體表面輪廓，所以，本文中所言光學(xué)三維測(cè)量即指光學(xué)三維輪廓測(cè)量，此后別再單獨(dú)解釋。

光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)總體而言能夠分為主動(dòng)式光學(xué)三維測(cè)量和被動(dòng)式光學(xué)三維測(cè)量，依照具體的原理又能夠分為雙目立體視覺(jué)測(cè)量法、離焦測(cè)量法、飛翔時(shí)刻法、激光三角法、莫爾輪廓術(shù)和結(jié)構(gòu)光編碼法等。下面就剛才提到的幾種光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)的原理舉行逐一說(shuō)解。

2.測(cè)量原理

被動(dòng)式光學(xué)三維測(cè)量

雙目立體視覺(jué)測(cè)量法

雙目成像采納視覺(jué)原理來(lái)獲得同一場(chǎng)景的2幅別同圖像。經(jīng)過(guò)對(duì)物體上同一點(diǎn)在2幅圖像上的2個(gè)像點(diǎn)的匹配和檢測(cè),能夠得到該點(diǎn)的坐標(biāo)信息。測(cè)量原理如圖所示。設(shè)攝像機(jī)基線長(zhǎng)為B,視差定義為D=P1-P2,其中P1、P2為空間點(diǎn)W(X,Y,Z)在2像面上的投影點(diǎn),則由幾何關(guān)系可得Z=Bf/D。計(jì)算出物點(diǎn)的深度坐標(biāo)后,其它2個(gè)坐標(biāo)能夠經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的幾何透視關(guān)系得出。雙目視覺(jué)成像原理簡(jiǎn)單,但由于需要在兩幅圖像中尋覓對(duì)定點(diǎn)的匹配,實(shí)際計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。

圖雙目立體視覺(jué)法三維測(cè)量原理圖

離焦測(cè)量法

離焦測(cè)量法依照標(biāo)定出的離焦模型計(jì)算被測(cè)點(diǎn)相關(guān)于攝像機(jī)的距離。測(cè)量模型如圖所示。參考點(diǎn)A成像在像平面上的A'點(diǎn),物體表面上的B點(diǎn)成像在B'點(diǎn),則在像面上形成兩個(gè)像點(diǎn)B1和B2,測(cè)出兩點(diǎn)之間的距離則能夠得到物體上點(diǎn)B的坐標(biāo)。鏡頭前擋板上挖的兩個(gè)小孔保證了探測(cè)器上最外圍的兩像點(diǎn)是由軸上物點(diǎn)形成的。離焦測(cè)量法幸免了尋覓精確的聚焦位置,但卻增加了標(biāo)定過(guò)程的復(fù)雜性。另外，由于每次只能獵取一具軸上點(diǎn)的三維坐標(biāo)，因此離焦測(cè)量法需要經(jīng)過(guò)二維掃描來(lái)完成物體輪廓面上各離散點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量，所以測(cè)量效率比較低。

圖離焦測(cè)量法原理圖

主動(dòng)式光學(xué)三維測(cè)量

飛翔時(shí)刻法

飛翔時(shí)刻法(TimeofFlight，簡(jiǎn)稱TOF)簡(jiǎn)單而言算是經(jīng)過(guò)激光或者其他光源脈沖發(fā)射時(shí)刻，經(jīng)過(guò)測(cè)量飛翔時(shí)刻達(dá)到測(cè)量的目的，測(cè)量系統(tǒng)模型如圖所示。該測(cè)量辦法具體如下：首先利用系統(tǒng)發(fā)射的激光或其他光源脈沖照耀被測(cè)物體，經(jīng)過(guò)反射原理到達(dá)系統(tǒng)接收器接收，就能夠計(jì)算出激光或者其他光源脈沖的運(yùn)行時(shí)刻及距離。經(jīng)過(guò)對(duì)被測(cè)量物體外部形態(tài)逐步掃描在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到物體的三維原始外貌。該測(cè)量辦法運(yùn)用激光或者其他光源脈沖飛翔時(shí)刻舉行及接收器的帶寬、靈敏度等舉行測(cè)量，同時(shí)時(shí)刻間隔的誤差在一具非常小的范圍

之內(nèi)。所以運(yùn)用飛翔時(shí)刻法的測(cè)量系統(tǒng)目前誤差差不多達(dá)到微米級(jí)[3]。

為了進(jìn)一步使該系統(tǒng)的測(cè)量精度提高，目前比較常用的辦法是提高測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)的頻率，并且能夠經(jīng)過(guò)相位調(diào)制的辦法。當(dāng)激光束幅度被正弦波調(diào)制時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)物體之間的距離就能夠由發(fā)射光束和接收光束之間的相位差得到。相位調(diào)制測(cè)量辦法與脈沖調(diào)制辦法相比較要復(fù)雜許多，但是減小了帶寬，而且經(jīng)過(guò)正弦波相位調(diào)制可以獲得比較大的測(cè)量視角?；陲w翔時(shí)刻法的測(cè)量系統(tǒng)裝置復(fù)雜，并要求配備帶寬大、靈敏性高以和熱穩(wěn)定性好的電子設(shè)備，因而造價(jià)偏高，這些因素制約了事實(shí)上際應(yīng)用。

圖飛翔時(shí)刻法原理圖

激光三角法近年來(lái)隨著激光技術(shù)的進(jìn)展,激光三角形法逐漸得到廣泛應(yīng)用。它所采納的光源要緊有些結(jié)構(gòu)、線結(jié)構(gòu)和雙線結(jié)構(gòu)。其基本原理是光學(xué)三角形原理,如圖所示。由圖能夠得到

=/tan(),arctan(/)LBdfαγγ-=(2.2-1)

由此能夠得到深度信息L。這種辦法具有原理簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快和精度高等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是對(duì)物體表面特性和反射率、復(fù)雜程度等有較大限制[4]。

圖激光三角法

莫爾輪廓術(shù)

莫爾輪廓術(shù)又能夠稱為莫爾等高線法，是一種非接觸式三維測(cè)量辦法，1970年由首次提出。莫爾輪廓術(shù)得到莫爾條紋的辦法如下：一具基準(zhǔn)光柵和投影到三維物體表面上受到物體表面高度調(diào)制的變形光柵疊合來(lái)形成莫爾條

紋，而該條紋描繪出了被測(cè)物體的等高線，然后依照莫爾條紋的分布規(guī)律就能夠得出被測(cè)物體的表面形貌。從那個(gè)基本原理動(dòng)身，浮現(xiàn)了幾類(lèi)別同布局的莫爾輪廓裝置，要緊為影像莫爾法、投影莫爾法和掃描莫爾法以及移相莫爾法等。

(1)影像莫爾法

影像莫爾法(shadowmoirémethod)采納基準(zhǔn)光柵,把它放在靠近被測(cè)物體表面處,用點(diǎn)光源或平行光源照耀基準(zhǔn)光柵,并在另一側(cè)經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)光柵觀看物體,形成干涉條紋,如圖所示。鑒于此原理,影像莫爾法的測(cè)量范圍必須小于所使用基準(zhǔn)光柵的范圍,而制作大面積、高精度的基準(zhǔn)光柵十分困難,因此只適合測(cè)量較小尺寸的物體。另外,當(dāng)被測(cè)物體表面梯度變化較大時(shí),投影到表面的柵線易發(fā)生散射而變得含糊,限制了被測(cè)物體的可測(cè)景深,因此只適合測(cè)量表面變化較為緩慢的物體。

圖影像莫爾法原理

(2)投影莫爾法

投影莫爾法利用光源將基準(zhǔn)光柵通過(guò)聚光透鏡投影到被測(cè)物體表面,經(jīng)物體表面調(diào)制后的柵線與觀看點(diǎn)處的參考柵相互干涉,從而形成莫爾條紋。它與影像莫爾法的要緊區(qū)不在于在投影光和接收器附近各放置1個(gè)光柵,如此就可用較小的高密度柵板代替較大尺寸的基準(zhǔn)柵板來(lái)檢測(cè)較大的物體,擴(kuò)大了檢測(cè)物體的范圍。普通,這種辦法的檢測(cè)精度和條紋分辨率沒(méi)有影像莫爾法高。

上述兩種辦法是經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)柵和試件柵之間的干涉形成莫爾條紋,所得的條紋圖是等高線,經(jīng)過(guò)分配條紋級(jí)次和確定條紋中心來(lái)解調(diào)等高線上的高度信息,對(duì)所得條紋的處理分析包括條紋中心線的跟蹤、條紋級(jí)數(shù)的確定和表面凸凹性的判不等,這就限制了應(yīng)用過(guò)程的自動(dòng)化。并且,此種辦法別適合測(cè)量表面梯度變化較大的物體。為了彌補(bǔ)此方面的缺點(diǎn),可經(jīng)過(guò)挪移條紋或采納復(fù)合柵代替單一頻率的柵線。

圖掃描莫爾法原理圖

（3）掃描莫爾法

在陰影莫爾法和投影莫爾法中，如要推斷得出被測(cè)物體表面的凹凸事情，只能從莫爾等高線上動(dòng)身，所以就非常難在計(jì)量中舉行確定。為了使莫爾法可以滿腳三維面形的自動(dòng)測(cè)量，在投影莫爾法中能夠使一塊基準(zhǔn)光柵（投影系統(tǒng)中的光柵G1或成像系統(tǒng)的光柵G2）沿垂直于柵線方向做弱小地挪移，然后關(guān)于目標(biāo)物體表面的凹凸事情能夠采納莫爾條紋并且挪移的方一直確定。假如類(lèi)似于投影莫爾法測(cè)量，然而在成像系統(tǒng)中別用第二塊基準(zhǔn)光柵去觀看，而是像電視掃描那樣經(jīng)過(guò)電子掃描的辦法得到觀看的基準(zhǔn)光柵，這種辦法就稱為掃描莫爾法，它的基本原理如圖所示。實(shí)際中替代第二塊基準(zhǔn)光柵的掃描線能夠利用計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)去加入，這就意味著只要經(jīng)過(guò)圖像系統(tǒng)（包括攝像輸入）獵取一幅變形的光柵像，所以要想得到莫爾條紋，只要采納計(jì)算機(jī)得到光柵的辦法就能夠得到。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的第二塊基準(zhǔn)光柵的周期和光柵的挪移都容易改變，這種掃描莫爾法的圖像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)三維面形的自動(dòng)測(cè)量。

綜上所述，莫爾輪廓術(shù)的要緊特點(diǎn)在于：

○1可以對(duì)三維物體的粗糙表面形貌舉行測(cè)量，也可以對(duì)鏡面形貌測(cè)量以及大尺寸的物體表面測(cè)量。測(cè)量的靈敏度能夠在非常大范圍內(nèi)舉行調(diào)整；

○2對(duì)測(cè)量裝置的穩(wěn)定性要求別高而且裝置簡(jiǎn)單可靠，對(duì)外界條件要求別嚴(yán)格，相干光源和非相干光源都能夠適用；

○3易于和高速攝影技術(shù)相結(jié)合，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)三維形貌，易于和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，來(lái)獲得莫爾條紋的數(shù)字輸出和實(shí)現(xiàn)虛擬光柵技術(shù)。

結(jié)構(gòu)光投影法

依照光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的投射模式,結(jié)構(gòu)光投影法可以為以下幾種：點(diǎn)結(jié)構(gòu)光投影法、線結(jié)構(gòu)光投影法、多線結(jié)構(gòu)光投影法、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投影法、面結(jié)構(gòu)光投影法。點(diǎn)結(jié)構(gòu)光投影法即為激光掃描法，而多線結(jié)構(gòu)光投影法能夠視為面結(jié)構(gòu)光投影法的一種特例，因此這個(gè)地方只討論線結(jié)構(gòu)光投影法和面結(jié)構(gòu)光投影法。

（1）線結(jié)構(gòu)光投影法

線結(jié)構(gòu)光投影法也能夠以光帶模式投影法命名。在測(cè)量時(shí)投射系統(tǒng)產(chǎn)生的光束在空間中由于一具柱面鏡的作用浮現(xiàn)一窄的平面狹縫光，當(dāng)與被測(cè)物體的表面相交時(shí)，在被測(cè)物體的表面上產(chǎn)生了一具亮的光條紋。該光條紋因?yàn)楸粶y(cè)物體表面深度的變化和也許的間隙從而受到調(diào)制，表現(xiàn)為圖像的光條紋發(fā)生了

別同變化和別持續(xù)，而且被測(cè)物體高度越高，所得圖像的畸變程度越大，而被測(cè)物體表面之間的物理間隙則能夠經(jīng)過(guò)所得圖像的別延續(xù)性得出[5]。線結(jié)構(gòu)光

投影的要緊目的算是從發(fā)生了別同變化的光條紋的圖像數(shù)據(jù)中獲得被測(cè)物體表面深度的三維數(shù)據(jù)。

線結(jié)構(gòu)光投影法能夠視為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光投影法的擴(kuò)展。相關(guān)于點(diǎn)結(jié)構(gòu)光投影法來(lái)講，線結(jié)構(gòu)光投影法大大提高了測(cè)量效率，而測(cè)量精度相比之言不過(guò)略低，此辦法在商業(yè)上獵取三維深度信息的應(yīng)用差不多很成熟。

（2）面結(jié)構(gòu)光投影法

在線結(jié)構(gòu)光投影法的基礎(chǔ)之上，井口征士等人提出了一種更為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)光投影法，算是面結(jié)構(gòu)光投影法的。即將各種模式的面結(jié)構(gòu)光投影到被測(cè)物體，在面結(jié)構(gòu)光被投影到目標(biāo)物體之時(shí)，假如從與投影光軸方向別同的觀測(cè)點(diǎn)方一直看，在目標(biāo)物體表面產(chǎn)生由于物體形狀的凹凸變化而隨之發(fā)生畸變的面結(jié)構(gòu)光條紋，這種畸變是由于所投影的面結(jié)構(gòu)光條紋收到目標(biāo)物體的表面形狀的調(diào)制所引起的，因此被測(cè)物體表面形狀的三維信息也就包含在內(nèi)。

基于面結(jié)構(gòu)光投影法是在目標(biāo)物體的表面一次性眨眼投影并獵取目標(biāo)物體表面形狀的三維空間坐標(biāo)，并且相關(guān)于線結(jié)構(gòu)光投影法來(lái)講，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確和快捷以及高數(shù)據(jù)空間分辨率等，因此，其是結(jié)構(gòu)光投影法往后進(jìn)展的必定趨勢(shì)。在面結(jié)構(gòu)光投影法測(cè)量系統(tǒng)中，能夠投射多種模式的結(jié)構(gòu)光，如水平光柵條紋、垂直光柵條紋、符號(hào)條紋等。

其中，光柵投射三維面形測(cè)量技術(shù)屬于三角法這一范疇，經(jīng)過(guò)一次測(cè)量就能夠獲得所投射的表面的所有三維數(shù)據(jù)，而且測(cè)量速度快。此原理要緊是采取投射幾何關(guān)系完成對(duì)物體表面條紋和參考平面條紋之間的相位差及其相對(duì)高度的關(guān)系的建立，這就可以得到被測(cè)物體表面和參考平面之間的高度差。

將一正弦光柵以發(fā)散或者準(zhǔn)直的方式以和觀看方向成某一角度投射到漫反射的物體表面之上，因?yàn)槲矬w表面的高低別平，所以在另外一具方向上觀看投射條紋，就能夠得到變形了的光柵像，利用傅里葉變換辦法或者相移技術(shù)就能夠從變形了的光柵像中提取到高度調(diào)制的條紋相位信息，然后再與參考平面條紋的相位值相比較，得到與參考平面的相位差，通過(guò)高度和相位展開(kāi)的映射關(guān)系，就能夠得到被測(cè)物體三維空間坐標(biāo)，對(duì)被測(cè)物體三維面形舉行重建。

基于正弦光柵投射的三維面形測(cè)量辦法的基本原理如圖所示。

圖基于正弦光柵的三維面形測(cè)量原理圖

(2.2-2)

其中,代表?xiàng)l紋的背景;為物體表面反射率的變化;是投影到參考面的光柵圖樣的空間頻率;相位則對(duì)應(yīng)著物體上各點(diǎn)的高度。能夠看出,并且記錄了物體的幾何形狀信息和紋理信息。經(jīng)過(guò)對(duì)的處理就能夠得到物體的三維信息。

由變形的光柵條紋中提取相位要緊有傅里葉變換，卷積解調(diào)法，相移法等幾種辦法。下面分不對(duì)其舉行介紹。

傅里葉變換法（FTP）提取相位

令

(2.2-3)

則，式可寫(xiě)為：

(2.2-4)

對(duì)其舉行傅里葉變換后得到：

(2.2-5)

在頻域中，設(shè)計(jì)一具帶通濾波器來(lái)分離出其中的一具基頻重量

然后再把它移到頻譜的原點(diǎn)，繼而再對(duì)其舉行IFFT就會(huì)獲得時(shí)域中的c(x,y)重量。下面我們使用Im和Re分不表示c(x,y)的虛部和實(shí)部，這么條紋的相位主值可由公式求解：

(2.2-6)

最終，我們對(duì)反正切函數(shù)舉行求解就能夠獲得條紋的相對(duì)相位。

FTP輪廓測(cè)量法的流程如圖所示：

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

圖FTP的測(cè)量流程圖

相移法提取相位

相移法(PhazeShifitingMethod)利用投射多幅相位別同的編碼光柵來(lái)求解相位的。本文中我們投影的為正弦光柵，接下來(lái)就以正弦光柵為例。假設(shè)總共投射(3)NN≥幅光柵圖像，這么相鄰的兩幅編碼光柵圖像的相位之差值為2/Nπ，若nI表示第n幅圖像上點(diǎn)的光強(qiáng)，則有式和：

(2.2-7)

(2.2-8)

相移法有如下一些優(yōu)點(diǎn)：

(1)由式可知，由于采納光強(qiáng)相減運(yùn)算，因此該辦法對(duì)對(duì)照度、噪聲、背景等因素的變化別敏感。

(2)相移法是采納逐點(diǎn)處理的，因此任意形狀的條紋圖都能夠使用該辦法。

(3)由于相移法直截了當(dāng)測(cè)量變形光柵條紋的相位值，其精度相當(dāng)令人中意，而且非常容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。

然而，相移法也有一些有待于進(jìn)一步改進(jìn)的地點(diǎn)：

(1)相移法要求所使用投影光柵