光學三維測量技術及應用

光學三維測量技術及應用                                                                                      
摘要：隨著現代科學技術的發展，光學三維測量已經在越來越廣泛的領域起到了重要作用。本文主要對接觸式三維測量和非接觸式三維測量進行了介紹。著重介紹了光學三維測量技術的各種實現方法及原理。最后對目前光學三維測量的應用進行了簡單介紹。
1.引言
隨著科學技術和工業的發展，三維測量技術在自動化生產、質量控制、機器人視覺、反求工程、CAD/CAM以及生物醫學工程等方面的應用日益重要。傳統的接觸式測量技術存在測量時間長、需進行測頭半徑的補償、不能測量彈性或脆性材料等局限性，因而不能滿足現代工業發展的需要。。
光學測量是光電技術與機械測量結合的高科技。光學測量主要應用在現代工業檢測。借用計算機技術，可以實現快速，準確的測量。方便記錄，存儲，打印，查詢等等功能。
光學三維測量技術是集光、機、電和計算機技術于一體的智能化、可視化的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以得到物體的三維輪廓，獲得物體表面點的三維空間坐標。隨著現代檢測技術的進步，特別是隨著激光技術、計算機技術以及圖像處理技術等高新技術的發展，三維測量技術逐步成為人們的研究重點。光學三維測量技術由于非接觸、快速測量、精度高的優點在機械、汽車、航空航天等制造工業及服裝、玩具、制鞋等民用工業得到廣泛的應用。

2.三維測量技術方法及分類
三維測量技術是獲取物體表面各點空間坐標的技術，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測量機(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是一種大型精密的三坐標測量儀器[1]，它以精密機械為基礎，綜合應用電子、計算機、光學和數控等先進技術，能對三維復雜工件的尺寸、形狀和相對位置進行高精度的測量。

三坐標測量機作為現代大型精密、綜合測量儀器，有其顯著的優點，包括：（1）靈活性強，可實現空間坐標點測量，方便地測量各種零件的三維輪廓尺寸及位置參數；（2）測量精度高且可靠；（3）可方便地進行數字運算與程序控制，有很高的智能化程度。

早期的坐標測量機大多使用固定剛性測頭，它最為簡單，缺點也很多[2]。主要為（1）測量時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，不能用于數控坐標測量機上；（3）必須對測頭半徑進行三維補償才能得到真實的實物表面數據。針對上述缺陷，人們陸續開發出各種電感式、電容式反饋型微位移測頭，解決了數控坐標測量機自動測量的難題，但測量時測頭與被測物之間仍存在一定的接觸壓力，對柔軟物體的測量必然導致測量誤差。另外測頭半徑三維補償問題依然存在。三維測頭的出現可以相對容易地解決測頭半徑三維補償的難題，但三維測頭仍存在接觸壓力，對不可觸及的表面（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
非接觸式測量技術是隨著近年來光學和電子元件的廣泛應用而發展起來的，其測量基于光學原理，具有高效率、無破壞性、工作距離大等特點，可以對物體進行靜態或動態的測量。此類技術應用在產品質量檢測和工藝控制中，可大大節約生產成本，縮短產品的研制周期，大大提高產品的質量，因而倍受人們的青睞。隨著各種高性能器件如半導體激光器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，新型三維傳感器不斷出現，其性能也大幅度提高，光學非接觸測量技術得到迅猛的發展。

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

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

圖2.光學三維測量方法分類

3.1.光學被動式三維測量
由于被動式沒有受控的主動光源，無需復雜的設備，并且與人類的視覺習慣比較接近。被動式測量技術主要用于受環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。一般是從一個或多個攝像系統獲取的二維圖像中確定距離信息，形成三維面形數據，即單目、多目視覺。當從一個攝像系統獲取的二維圖像中確定信息時，人們必須依賴對于物體形態、光照條件等的先驗知識。如果這些知識不完整，對深度的計算可能產生錯誤。從兩個或多個攝像系統獲取的不同視覺方向的二維圖像中，通過相關或匹配等運算可以重建物體的三維面形。當被測目標的結構信息過分簡單或過分復雜，以及被測目標上各點反射率沒有明顯差異時，這種計算變得更加復雜。

以兩個攝像機為例，雙攝像機的系統又稱為雙目視覺系統，雙目視覺系統的幾何關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在立體點對的一個觀察點上。有時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，滿足對應點匹配計算的候選點有可能出現假對應。因此，被動三維傳感的方法常常用于對三維目標的識別、理解以及用于位置、形態分析，這種方法的系統結構比較簡單，目前在機器視覺領域應用廣泛。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)根據同一空間點在不同位置的兩個相機拍攝的圖像中的視差，以及攝像機之間位置的空間幾何關系來獲取該點的三維坐標值。測量原理如圖4[5]所示。一個完整的立體視覺系統通?？煞譃榱蟛糠?，包括：
（1）圖像采集。即通過圖像傳感器如數碼相機等獲得圖像并將其數字化。
（2）攝像機標定。就是通過實驗和計算得到攝像機內外等參數。
（3）特征提取。它是指從立體圖像對中提取對應的圖像特征，以進行后面的處理。
（4）圖像匹配。它將同一空間點在不同圖像中的映像點對應起來，由此得到視差圖像。
（5）三維信息恢復：由相機標定參數和兩幅圖像像點的視差關系，求出場景點的深度信息，把不同的深度信息量化為不同的灰度值來表示，進而恢復景物的三維信息。
（6）后處理：因恢復的三維信息有不連續性，所以要對恢復出的三維信息進行后處理。

立體視覺法廣泛應用于航空測量、機器人的視覺系統中，雙目、多目以及多幀圖像序列等立體視覺問題已經成為國際學術研究的重點和熱點。

3.2.光學主動式三維測量
目前，主動式光學三維測量測量技術已廣泛用于工業檢測、反求工程、生物醫學、機器視覺等領域。例如，復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，整形外科效果評價，用于制鞋CAD的鞋楦三維數據采集，各種實物模型的三維信息記錄與仿形等。三維高速度、高精度測量技術將隨著測量方法的完善和信息獲取與處理技術的改進而進一步發展，在新的更加廣闊的研究和應用領域中發揮重要作用。

主動式光學非接觸測量技術大體上可分為飛行時間法、主動三角法、莫爾輪廓術、投影結構光法、自動聚焦法、離焦法、全息干涉測量法、相移測量法等。以下對幾種主要的方法進行以下簡單介紹。

3.2.1.飛行時間法
飛行時間法是基于三維面形對結構光束產生的時間調制，一般采用激光，通過測量光波的飛行時間來獲得距離信息，結合附加的掃描裝置使光脈沖掃描整個待測對象就可以得到三維數據。飛行時間法以對信號檢測的時間分辨率來換取距離測量精度，要得到高的測量精度，測量系統必須要有極高的時間分辨率，常用于大尺度遠距離的測量。

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.主動三角法
光學三角法是最常用的一種光學三維測量技術，以傳統的三角測量為基礎，通過待測點相對于光學基準線偏移產生的角度變化計算該點的深度信息。根據具體照明方式的不同，光學三角法可分為兩大類：被動三角法和基于結構光的主動三角法。雙目視覺是典型的被動三維測量技術，它的優點在于其適應性強，可以在多種條件下靈活地測量物體的立體信息，缺點是需要大量的相關匹配運算以及較為復雜的空間幾何參數的校準等問題，測量精度低，計算量較大，不適于精密計量，常用于三維目標的識別、理解以及位形分析等場合，在航空領域應用較多。主動三維測量技術根據三維面形對于結構光場的調制方式不同，可分為時間調制和空間調制兩大類。飛行時間法是典型的時間調制方法，激光逐點掃描法、光切法和光柵投射法是典型的空間調制方法。

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，投影在物體上的光柵，根據物體的高度而產生變形，變形的光柵圖像叫做條紋圖，它包含了三維信息。

相移法是一種在時間軸上的逐點運算，不會造成全面影響，計算量少。另外，這種方法具有一定抗靜態噪聲的能力。缺點是不能消除條紋中高頻噪聲引起的誤差。在傳統相移系統中，精確移動光柵的需要增加了系統的復雜性。而在數字相移系統中，用軟件控制精確地實現相位移動。某些應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在于不斷提高測量的空間分辨率及測量精度、擴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問題：

（1）陰影和盲區問題
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）”兩個條件，對于光線不可及或視線不可及的地方，形狀測量則無法實現，出現陰影和盲區問題。

（2）表面不連續問題
當表面不連續時，條紋相對級次不確定，就會造成解調相位不準確。

（3）圖像的預處理

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

（5）大曲面的測量

（6）系統的測量精度
由于測量系統的像差效應、透鏡的畸變效應、CCD的非線性效應及圖像采集板的量化效應等，都會給相移測量法帶來很復雜的非線性系統誤差，這些因素都降低了相移測量法的測量精度。
3.2.5 結構光法
結構光法基于光學雙相機三角測量的原理，將雙目立體視覺中的某一個像機用事先約定好的結構投影光來代替，利用投影系統和成像系統的幾何信息來進行三維形貌測量。結構光編碼類型主要有灰度編碼、二進制編碼、寬度編碼、柵格編碼、彩色編碼、相位編碼以及混合編碼等。結構光法的優點是測量分辨率高、速度快，能夠實現全場測量，圖像傳感器和投射器不需要遵守嚴格的幾何位置關系；通過編碼和解碼確定出射點與成像點之間的對應關系可以很好的解決特征匹配問題。

圖5.投影結構光三維測量系統原理圖

結構光一般分為云紋法和投影結構光法，投影結構光法（如圖5[3]）是一類面結構光三維測量技術，它采用光學投射器將光柵投影于被測物體表面，被表面形狀所調制的光柵條紋由另一位置的相機拍攝，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之間的相對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。當光學投射器與攝像機之間的相對位置一定時，由變形的條紋圖像便可以重現物體表面形廓，即可以進行三維表面形貌測量。投影條紋法因具有測量速度快、易自動化、柔性好和全場測量的特點，成為國內外三維形貌測量技術研究發展的重點。

常見的投影結構光法有傅立葉變化輪廓術和位相測量輪廓術。

3.2.5.1傅里葉變化輪廓術
傅里葉變化輪廓術（FTP)相當于在把對空間信息的處理轉化為對頻率的處理。其基本原理是投影條紋于物體表面，攝像機攝取變形的條紋圖，對條紋圖進行傅里葉變換、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

傅里葉變化輪廓術具有全場、快速的特點，且能自動判定物體的凸凹，無需指定條紋級次和采用插值運算就能獲得物體的高度分布，在實時和動態三維面形測量領域具有廣泛的應用前景。但是目前FTP的測量精度精度還不夠高，在實際應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。

未來的研究重點是進一步提高FTP的測量精度，克服頻譜混疊，不斷優化頻域濾波和相位展開算法，盡量減少測量過程中外界各種因素的干擾，以滿足相關領域對三維面形數據快速、自動、實時獲取的要求。

實際上，傅里葉變換光學可借鑒通信原理中的調制與解調的概念加以理解，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(調制信號)表面的光柵結構光場(載波信號)受到調制得到連續分布的變形結構光場(已調信號)，光柵結構光場的相位因此也受到物體三維面形高度分布的調制；

（2）對連續分布的變形結構光場(己調信號)進行攝取(抽樣)，獲得離散信息送計算機處理，經過離散傅里葉變換、頻域濾波、逆傅里葉變換，計算出變形結構光場的相位信息；

（3）根據相位與高度分布之間的映射關系，重建被測物體的三維面形。

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

相位測量輪廓術的基本思想：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算出相位，再按照相應的相位展開算法就可以精確地得到物體三維面形數據。其優點在于，采用了正弦光柵投影和相移技術，能以較低廉的光學、電子和數字硬件設備為基礎，以較高的速度和精度獲取和處理大量的三維數據。

4.小結
光學三維測量技術的主要特點是實時性、主動性、適應性好。光學三維測量數據經過簡單的處理就可以直接使用，無需復雜的數據后處理，由于無需和被測物體接觸，可以在很多復雜環境下應用。