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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。
< br>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<
/p>
(
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
< br>
、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 Techniques
因为其
“
非接触
”
< br>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
(Contact
Method
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/CA
M/CAE
系统以在线工作方式集成在一起
,
< br>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<
/p>
,
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
2[
5]
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
< br>(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
3μm
(
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
[6],
原理如图
3
所示。
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。