光学三维测量技术1. 引言人类观察到的世界是一个三维世界，尽可能准确和完备地获取客观世界的三维 信息 才能尽可能准确和完备地刻画和再现客观世界。 对三维信息的获取和处理技 术体现了人类对客观世界的把握能力，因而从某种程度上来说它是体现人类智慧的 一个 重要标志。近年来,计算机技术的飞速发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 有着紧密的结合；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 、医学研究中的 牙齿、骨头扫描，甚至 人 类学的考古研究等，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， 这一切都表明未来的世界 是三 维的世界。目前,有很多种方法可用来获取目标物体的三维形状数据， 光学三维测量技术（Optiacl Three-dimensional Measurement Technique 因为其 非接触”与 全场”的特 点, 是目前工 程应用中最有发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实用技术之一， 它是以现代光学为 基础, 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、精密计 量光栅制造技术、计 算机技术以及图像处理等高新技术的发展， 以及不断推出的高 性能微处理器、大容量存储器和低成本的数字图像传感设备、 高分辨率的彩色图 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新提供了可能，而且为 其应用前景的拓宽提供了无穷 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（ContactMethod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表面以获取其三 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 触式测量技术已非常成熟， 具有较高的灵敏度和精度， 随着光电技术的进步， 近年来出 现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表面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,对测头不能触及的表面无法测量，如内孔,对一些边缘、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,需经 常矫正以维持精度；测量仪器复杂,对环境要求很高，必须防震,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行测量。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（Time-of-flight，简称 TOF ,如 传统的雷达技术获取物体的三维信息。由于微波波长较长，衍射形成的爱里斑 （ Airy Pattern 半径较大,角度分辨率低,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，分辨率也不高，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3卩m红外范围内的光学三维传感器的角度分辨率和深度分辨率比微波和超声波 高 103 到 104 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新兴学科的兴起和发展对物体面形的三维检测 技术 的研究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基本原理有3种:飞行时间法、干涉法和三角法（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发射到接收的时间间隔t ,即可算得被测距离值L=c*t/2, c是光速。相位差测距法是测距仪对激光进行调制，通过测量调制光波 往返被测物体一次所产生的相位延迟来确定被测距离的（,原理如图3所示。Zfl+A/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 体的表面性质无限制；不需要拍摄图像和作图像处理。 主要缺点是：装置复杂,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。这种方法的一般分辨力可达毫米级。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卩m0与此相似的另一个技术是光渡越全息照相术，它使用短 而暂时的相或非常短的光脉冲 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,可达到 6.5卩 m 勺深度分辨力。激光雷达三维成像系统就是采用相位差测距法实现三维测量的， 该系统根据相 位法 测距原理,用激光雷达获取三维视觉信息。发射、接收及扫描光学系统的全 新设计,保证了 激光 雷达的空间分辨力极大的信噪比， 并且具有部分光学自动增益 补偿的功能。然而 随着距离的 逐渐增大， 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。b 干涉法干涉形状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 物体的几何 形状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 和观察方向。由此产生三种测量方法：双频或多频干涉法， 折射率变化法以及两种 光源 干涉法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射物体的可变激光光源， 从而可使用 N 个波长的 激光产生干 涉， 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 频干涉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 位置进行定位， 然后通过对顶峰返回位置进行插值来确定高度值6 全息干涉测量是把干涉测量与全息照相结合起来， 通过干涉条纹有效地把位相 变化 情况 记录下来,对任意形状物体及其表面作动态三维立体图像摄影， 并经图像重叠产生干涉测量， 可分为实测法和双重暴光法。计算机全息干涉测量是用计算机 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， 再与实际零件表面 相干， 即可检测出实际零件误差。利用频移的双外差干涉是一种高准确度的深度测量技术。研 究显示在100m的测量范围内分辨力达到0.1mm。干涉法的优点是不存在三角法中的 遮挡问题。利用相移干涉技术测量分辨力可优于 10nm ;将相移分析技术、干涉技术和外差技术综合起来，再配以精密的光学装置，测量误差可达到 一 个条纹的 1/10000。激光跟踪式系统也采用干涉原理测量距离，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。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基础，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。 根据具体照 明方式的不同，光学三角法可分为两大类：被动三角法和基于结构光的主动三角 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 条件下灵 活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复杂 的空间几何参 数的校准等问题，测量精度低，计算量较大,不适于精密计量，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 量技术根据三维面 形对于结构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 o光学三维测量技术提供了各种原理不同的测量方法 ，以适应工程中不同测量精 度、分辨率、测量范围的要求。可根据环境、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分辨率范围及其能够测量的 物面尺度大小是 有限的，从而限制了适用范围。如果需要在更大范围内实现对物体 的测量,则必须在测量 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。禾U用多种信息融合来处理三维数据 的获取问题， 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、灵活性。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 是一种新的制造手段 和系统，通过对已有样件或模型的内外轮廓进行精确测量，获得其三维数据，配合计算机软件系统进行曲面重建， 并在线精度分析、评价构造效果，重构CAD模型，生成IGES或STL数据，或者生成数控加工NC代码，据此 进行快速成型或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；提供原始CAD文件格式； 曲面造型和参数实体模型；在设计和制造中节省投入的时间和资金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ATOS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。（a） Measuring&digitizing Of the carmodel （ b） Flat shaded display of the digitized data （c） Polygonized data（d） Rapid Prototyping Part based on the digitized data （e） Milled in Ureol, based on the digitized data图4光