光學(xué)三維測量技術(shù)及應(yīng)用

光學(xué)三維測量技術(shù)及應(yīng)用                                                                                      
摘要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)三維測量已經(jīng)在越來越廣泛的領(lǐng)域起到了重要作用。本文主要對(duì)接觸式三維測量和非接觸式三維測量進(jìn)行了介紹。著重介紹了光學(xué)三維測量技術(shù)的各種實(shí)現(xiàn)方法及原理。后對(duì)目前光學(xué)三維測量的應(yīng)用進(jìn)行了簡單介紹。
1.引言
隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，三維測量技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)、質(zhì)量控制、機(jī)器人視覺、反求工程、CAD/CAM以及生物醫(yī)學(xué)工程等方面的應(yīng)用日益重要。傳統(tǒng)的接觸式測量技術(shù)存在測量時(shí)間長、需進(jìn)行測頭半徑的補(bǔ)償、不能測量彈性或脆性材料等局限性，因而不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。。
光學(xué)測量是光電技術(shù)與機(jī)械測量結(jié)合的高科技。光學(xué)測量主要應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)檢測。借用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速，準(zhǔn)確的測量。方便記錄，存儲(chǔ)，打印，查詢等等功能。
光學(xué)三維測量技術(shù)是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的智能化、可視化的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以得到物體的三維輪廓，獲得物體表面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的進(jìn)步，特別是隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，三維測量技術(shù)逐步成為人們的研究重點(diǎn)。光學(xué)三維測量技術(shù)由于非接觸、快速測量、精度高的優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械、汽車、航空航天等制造工業(yè)及服裝、玩具、制鞋等民用工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

2.三維測量技術(shù)方法及分類
三維測量技術(shù)是獲取物體表面各點(diǎn)空間坐標(biāo)的技術(shù)，主要包括接觸式和非接觸式測量兩大類。如圖1所示。

圖1.三維測量技術(shù)分類
2.1.接觸式測量
物體三維接觸式測量的典型代表是坐標(biāo)測量機(jī)(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是一種大型精密的三坐標(biāo)測量儀器[1]，它以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用電子、計(jì)算機(jī)、光學(xué)和數(shù)控等先進(jìn)技術(shù)，能對(duì)三維復(fù)雜工件的尺寸、形狀和相對(duì)位置進(jìn)行高精度的測量。

三坐標(biāo)測量機(jī)作為現(xiàn)代大型精密、綜合測量儀器，有其顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括：（1）靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)測量，方便地測量各種零件的三維輪廓尺寸及位置參數(shù)；（2）測量精度高且可靠；（3）可方便地進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算與程序控制，有很高的智能化程度。

早期的坐標(biāo)測量機(jī)大多使用固定剛性測頭，它為簡單，缺點(diǎn)也很多[2]。主要為（1）測量時(shí)操作人員憑手的感覺來保證測頭與工件的接觸壓力，這往往因人而異且與讀數(shù)之間很難定量描述；（2）剛性測頭為非反饋型測頭，不能用于數(shù)控坐標(biāo)測量機(jī)上；（3）必須對(duì)測頭半徑進(jìn)行三維補(bǔ)償才能得到真實(shí)的實(shí)物表面數(shù)據(jù)。針對(duì)上述缺陷，人們陸續(xù)開發(fā)出各種電感式、電容式反饋型微位移測頭，解決了數(shù)控坐標(biāo)測量機(jī)自動(dòng)測量的難題，但測量時(shí)測頭與被測物之間仍存在一定的接觸壓力，對(duì)柔軟物體的測量必然導(dǎo)致測量誤差。另外測頭半徑三維補(bǔ)償問題依然存在。三維測頭的出現(xiàn)可以相對(duì)容易地解決測頭半徑三維補(bǔ)償?shù)碾y題，但三維測頭仍存在接觸壓力，對(duì)不可觸及的表面（如軟表面，精密的光滑表面等）無法測量，而且測頭的掃描速度受到機(jī)械限制，測量效率很低，不適合大范圍測量。

2.2.非接觸式測量
非接觸式測量技術(shù)是隨著近年來光學(xué)和電子元件的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的，其測量基于光學(xué)原理，具有高效率、無破壞性、工作距離大等特點(diǎn)，可以對(duì)物體進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的測量。此類技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品質(zhì)量檢測和工藝控制中，可大大節(jié)約生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研制周期，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因而倍受人們的青睞。隨著各種高性能器件如半導(dǎo)體激光器LD、電荷耦合器件CCD、CMOS圖像傳感器和位置敏感傳感器PSD等的出現(xiàn)，新型三維傳感器不斷出現(xiàn)，其性能也大幅度提高，光學(xué)非接觸測量技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。

非接觸式三維測量不需要與待測物體接觸，可以遠(yuǎn)距離非破壞性地對(duì)待測物體進(jìn)行測量。其中，光學(xué)非接觸式測量是非接觸式測量中主要采用的方法。
3.光學(xué)非接觸式三維測量的概述
光學(xué)非接觸式三維測量技術(shù)根據(jù)獲取三維信息的基本方法可分為兩大類：被動(dòng)式與主動(dòng)式。如圖2所示[3]。

主動(dòng)式是利用特殊的受控光源（稱為主動(dòng)光源）照射被測物，根據(jù)主動(dòng)光源的已知結(jié)構(gòu)信息（幾何的、物體的、光學(xué)的）獲取景物的三維信息。被動(dòng)式是在自然光（包括室內(nèi)可控照明光）條件下，通過攝像機(jī)等光學(xué)傳感器攝取的二維灰度圖像獲取物體的三維信息。

圖2.光學(xué)三維測量方法分類

3.1.光學(xué)被動(dòng)式三維測量
由于被動(dòng)式?jīng)]有受控的主動(dòng)光源，無需復(fù)雜的設(shè)備，并且與人類的視覺習(xí)慣比較接近。被動(dòng)式測量技術(shù)主要用于受環(huán)境約束不能使用激光或特殊照明光的場合，或者由于保密需要的軍事場合。一般是從一個(gè)或多個(gè)攝像系統(tǒng)獲取的二維圖像中確定距離信息，形成三維面形數(shù)據(jù)，即單目、多目視覺。當(dāng)從一個(gè)攝像系統(tǒng)獲取的二維圖像中確定信息時(shí)，人們必須依賴對(duì)于物體形態(tài)、光照條件等的先驗(yàn)知識(shí)。如果這些知識(shí)不完整，對(duì)深度的計(jì)算可能產(chǎn)生錯(cuò)誤。從兩個(gè)或多個(gè)攝像系統(tǒng)獲取的不同視覺方向的二維圖像中，通過相關(guān)或匹配等運(yùn)算可以重建物體的三維面形。當(dāng)被測目標(biāo)的結(jié)構(gòu)信息過分簡單或過分復(fù)雜，以及被測目標(biāo)上各點(diǎn)反射率沒有明顯差異時(shí)，這種計(jì)算變得更加復(fù)雜。

以兩個(gè)攝像機(jī)為例，雙攝像機(jī)的系統(tǒng)又稱為雙目視覺系統(tǒng)，雙目視覺系統(tǒng)的幾何關(guān)系是非常簡單明確的，但由于遮掩或陰影的影響，被測物體某些部分有可能只出現(xiàn)在立體點(diǎn)對(duì)的一個(gè)觀察點(diǎn)上。有時(shí)CCD圖像傳感器由于能量被物體表面大量吸收而得不到足夠的、由物體反射回來的能量，滿足對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配計(jì)算的候選點(diǎn)有可能出現(xiàn)假對(duì)應(yīng)。因此，被動(dòng)三維傳感的方法常常用于對(duì)三維目標(biāo)的識(shí)別、理解以及用于位置、形態(tài)分析，這種方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，目前在機(jī)器視覺領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。立體視覺的基本幾何模型如圖3[4]所示。

雙目立體視覺 (Stereo Vision)根據(jù)同一空間點(diǎn)在不同位置的兩個(gè)相機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝像機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。測量原理如圖4[5]所示。一個(gè)完整的立體視覺系統(tǒng)通?？煞譃榱蟛糠?，包括：
（1）圖像采集。即通過圖像傳感器如數(shù)碼相機(jī)等獲得圖像并將其數(shù)字化。
（2）攝像機(jī)標(biāo)定。就是通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得到攝像機(jī)內(nèi)外等參數(shù)。
（3）特征提取。它是指從立體圖像對(duì)中提取對(duì)應(yīng)的圖像特征，以進(jìn)行后面的處理。
（4）圖像匹配。它將同一空間點(diǎn)在不同圖像中的映像點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來，由此得到視差圖像。
（5）三維信息恢復(fù)：由相機(jī)標(biāo)定參數(shù)和兩幅圖像像點(diǎn)的視差關(guān)系，求出場景點(diǎn)的深度信息，把不同的深度信息量化為不同的灰度值來表示，進(jìn)而恢復(fù)景物的三維信息。
（6）后處理：因恢復(fù)的三維信息有不連續(xù)性，所以要對(duì)恢復(fù)出的三維信息進(jìn)行后處理。

立體視覺法廣泛應(yīng)用于航空測量、機(jī)器人的視覺系統(tǒng)中，雙目、多目以及多幀圖像序列等立體視覺問題已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

3.2.光學(xué)主動(dòng)式三維測量
目前，主動(dòng)式光學(xué)三維測量測量技術(shù)已廣泛用于工業(yè)檢測、反求工程、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。例如，復(fù)雜的葉輪和葉片的面形檢測，汽車車身的檢測，人類口腔牙型測量，整形外科效果評(píng)價(jià)，用于制鞋CAD的鞋楦三維數(shù)據(jù)采集，各種實(shí)物模型的三維信息記錄與仿形等。三維高速度、高精度測量技術(shù)將隨著測量方法的完善和信息獲取與處理技術(shù)的改進(jìn)而進(jìn)一步發(fā)展，在新的更加廣闊的研究和應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

主動(dòng)式光學(xué)非接觸測量技術(shù)大體上可分為飛行時(shí)間法、主動(dòng)三角法、莫爾輪廓術(shù)、投影結(jié)構(gòu)光法、自動(dòng)聚焦法、離焦法、全息干涉測量法、相移測量法等。以下對(duì)幾種主要的方法進(jìn)行以下簡單介紹。

3.2.1.飛行時(shí)間法
飛行時(shí)間法是基于三維面形對(duì)結(jié)構(gòu)光束產(chǎn)生的時(shí)間調(diào)制，一般采用激光，通過測量光波的飛行時(shí)間來獲得距離信息，結(jié)合附加的掃描裝置使光脈沖掃描整個(gè)待測對(duì)象就可以得到三維數(shù)據(jù)。飛行時(shí)間法以對(duì)信號(hào)檢測的時(shí)間分辨率來換取距離測量精度，要得到高的測量精度，測量系統(tǒng)必須要有極高的時(shí)間分辨率，常用于大尺度遠(yuǎn)距離的測量。

3.2.2.干涉法
干涉測量是將一束相干光通過分光系統(tǒng)分成測量光和參考光，利用測量光波與參考光波的相干疊加來確定兩束光之間的相位差，從而獲得物體表面的深度信息。這種方法測量精度高，但測量范圍受到光波波長的限制，只能測量微觀表面的形貌和微小位移，不適于大尺度物體的檢測。

3.2.3.主動(dòng)三角法
光學(xué)三角法是常用的一種光學(xué)三維測量技術(shù)，以傳統(tǒng)的三角測量為基礎(chǔ)，通過待測點(diǎn)相對(duì)于光學(xué)基準(zhǔn)線偏移產(chǎn)生的角度變化計(jì)算該點(diǎn)的深度信息。根據(jù)具體照明方式的不同，光學(xué)三角法可分為兩大類：被動(dòng)三角法和基于結(jié)構(gòu)光的主動(dòng)三角法。雙目視覺是典型的被動(dòng)三維測量技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于其適應(yīng)性強(qiáng)，可以在多種條件下靈活地測量物體的立體信息，缺點(diǎn)是需要大量的相關(guān)匹配運(yùn)算以及較為復(fù)雜的空間幾何參數(shù)的校準(zhǔn)等問題，測量精度低，計(jì)算量較大，不適于精密計(jì)量，常用于三維目標(biāo)的識(shí)別、理解以及位形分析等場合，在航空領(lǐng)域應(yīng)用較多。主動(dòng)三維測量技術(shù)根據(jù)三維面形對(duì)于結(jié)構(gòu)光場的調(diào)制方式不同，可分為時(shí)間調(diào)制和空間調(diào)制兩大類。飛行時(shí)間法是典型的時(shí)間調(diào)制方法，激光逐點(diǎn)掃描法、光切法和光柵投射法是典型的空間調(diào)制方法。

3.2.4.相移測量法
相移測量法是一種重要的三維測量方法，它采用正弦光柵投影和相移技術(shù)，投影在物體上的光柵，根據(jù)物體的高度而產(chǎn)生變形，變形的光柵圖像叫做條紋圖，它包含了三維信息。

相移法是一種在時(shí)間軸上的逐點(diǎn)運(yùn)算，不會(huì)造成全面影響，計(jì)算量少。另外，這種方法具有一定抗靜態(tài)噪聲的能力。缺點(diǎn)是不能消除條紋中高頻噪聲引起的誤差。在傳統(tǒng)相移系統(tǒng)中，精確移動(dòng)光柵的需要增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。而在數(shù)字相移系統(tǒng)中，用軟件控制精確地實(shí)現(xiàn)相位移動(dòng)。某些應(yīng)用場合不允許測量多幅圖像，但只要沒有以上限制，相移法仍然是首選方案。

相移測量法研究焦點(diǎn)在于不斷提高測量的空間分辨率及測量精度、擴(kuò)大物體的橫向及縱向測量范圍。

目前，相移測量法仍存在以下幾個(gè)問題：

（1）陰影和盲區(qū)問題
相移測量法的測量受被測物表面散射特性的限制，必須滿足“光線所及（光線能照到）和視線所及（能被觀察到）”兩個(gè)條件，對(duì)于光線不可及或視線不可及的地方，形狀測量則無法實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)陰影和盲區(qū)問題。

（2）表面不連續(xù)問題
當(dāng)表面不連續(xù)時(shí)，條紋相對(duì)級(jí)次不確定，就會(huì)造成解調(diào)相位不準(zhǔn)確。

（3）圖像的預(yù)處理

（4）相位去包裹
通過相移法求得的相位值都是折疊在-π~ +π的主值區(qū)間，必須對(duì)相位進(jìn)行去包裹(Phase unwrapping)處理，正確地恢復(fù)出被折疊的2nπ才能求得真實(shí)的相位值。

（5）大曲面的測量

（6）系統(tǒng)的測量精度
由于測量系統(tǒng)的像差效應(yīng)、透鏡的畸變效應(yīng)、CCD的非線性效應(yīng)及圖像采集板的量化效應(yīng)等，都會(huì)給相移測量法帶來很復(fù)雜的非線性系統(tǒng)誤差，這些因素都降低了相移測量法的測量精度。
3.2.5 結(jié)構(gòu)光法
結(jié)構(gòu)光法基于光學(xué)雙相機(jī)三角測量的原理，將雙目立體視覺中的某一個(gè)像機(jī)用事先約定好的結(jié)構(gòu)投影光來代替，利用投影系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的幾何信息來進(jìn)行三維形貌測量。結(jié)構(gòu)光編碼類型主要有灰度編碼、二進(jìn)制編碼、寬度編碼、柵格編碼、彩色編碼、相位編碼以及混合編碼等。結(jié)構(gòu)光法的優(yōu)點(diǎn)是測量分辨率高、速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)全場測量，圖像傳感器和投射器不需要遵守嚴(yán)格的幾何位置關(guān)系；通過編碼和解碼確定出射點(diǎn)與成像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以很好的解決特征匹配問題。

圖5.投影結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)原理圖

結(jié)構(gòu)光一般分為云紋法和投影結(jié)構(gòu)光法，投影結(jié)構(gòu)光法（如圖5[3]）是一類面結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)，它采用光學(xué)投射器將光柵投影于被測物體表面，被表面形狀所調(diào)制的光柵條紋由另一位置的相機(jī)拍攝，從而獲得二維變形條紋圖像。條紋的變形程度取決于投射器與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置和物體表面的高度，條紋在法線方向的位移（或偏移）與物體表面高度成比例。當(dāng)光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置一定時(shí)，由變形的條紋圖像便可以重現(xiàn)物體表面形廓，即可以進(jìn)行三維表面形貌測量。投影條紋法因具有測量速度快、易自動(dòng)化、柔性好和全場測量的特點(diǎn)，成為國內(nèi)外三維形貌測量技術(shù)研究發(fā)展的重點(diǎn)。

常見的投影結(jié)構(gòu)光法有傅立葉變化輪廓術(shù)和位相測量輪廓術(shù)。

3.2.5.1傅里葉變化輪廓術(shù)
傅里葉變化輪廓術(shù)（FTP)相當(dāng)于在把對(duì)空間信息的處理轉(zhuǎn)化為對(duì)頻率的處理。其基本原理是投影條紋于物體表面，攝像機(jī)攝取變形的條紋圖，對(duì)條紋圖進(jìn)行傅里葉變換、濾波、逆傅里葉變換的步驟提取條紋相位信息。條紋的相位信息中包含了物體的形貌信息。流程圖如圖6[11]所示。

圖6.FTP測量流程圖

傅里葉變化輪廓術(shù)具有全場、快速的特點(diǎn)，且能自動(dòng)判定物體的凸凹，無需指定條紋級(jí)次和采用插值運(yùn)算就能獲得物體的高度分布，在實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)三維面形測量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是目前FTP的測量精度精度還不夠高，在實(shí)際應(yīng)用中還存在若干困難，比如不完善相位圖無法展開的問題，頻譜混疊的影響等。

未來的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步提高FTP的測量精度，克服頻譜混疊，不斷優(yōu)化頻域?yàn)V波和相位展開算法，盡量減少測量過程中外界各種因素的干擾，以滿足相關(guān)領(lǐng)域?qū)θS面形數(shù)據(jù)快速、自動(dòng)、實(shí)時(shí)獲取的要求。

實(shí)際上，傅里葉變換光學(xué)可借鑒通信原理中的調(diào)制與解調(diào)的概念加以理解，故FTP的工作原理大致可描述為：

（1）投影在被測物體三維面形(調(diào)制信號(hào))表面的光柵結(jié)構(gòu)光場(載波信號(hào))受到調(diào)制得到連續(xù)分布的變形結(jié)構(gòu)光場(已調(diào)信號(hào))，光柵結(jié)構(gòu)光場的相位因此也受到物體三維面形高度分布的調(diào)制；

（2）對(duì)連續(xù)分布的變形結(jié)構(gòu)光場(己調(diào)信號(hào))進(jìn)行攝取(抽樣)，獲得離散信息送計(jì)算機(jī)處理，經(jīng)過離散傅里葉變換、頻域?yàn)V波、逆傅里葉變換，計(jì)算出變形結(jié)構(gòu)光場的相位信息；

（3）根據(jù)相位與高度分布之間的映射關(guān)系，重建被測物體的三維面形。

3.2.5.2.相位測量輪廓術(shù)
相位測量輪廓術(shù)(PMP)是以測量投影到物體上的變形條紋像的相位為基礎(chǔ)，通過相位與高度的映射關(guān)系得到被測物體的三維形貌。

相位測量輪廓術(shù)的基本思想：基本思想就是通過多幅相互間有一定相位差的條紋圖來計(jì)算出相位，再按照相應(yīng)的相位展開算法就可以精確地得到物體三維面形數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)在于，采用了正弦光柵投影和相移技術(shù)，能以較低廉的光學(xué)、電子和數(shù)字硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，以較高的速度和精度獲取和處理大量的三維數(shù)據(jù)。

4.小結(jié)
光學(xué)三維測量技術(shù)的主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性、主動(dòng)性、適應(yīng)性好。光學(xué)三維測量數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用，無需復(fù)雜的數(shù)據(jù)后處理，由于無需和被測物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用。