光学三维测量技术综述
现代光学三维测量原理
现代光学三维测量原理概述：现代光学三维测量原理是一种利用光学原理进行三维空间测量的方法。
通过测量目标物体上的特征点或表面形状，利用光学仪器和相应的算法，可以获取目标物体的三维坐标信息。
本文将详细介绍现代光学三维测量原理的基本概念、测量方法、仪器设备和应用领域。
一、基本概念1. 光学三维测量：利用光学原理进行三维空间测量的方法。
2. 特征点：目标物体上具有明显边缘或特殊纹理的点，用于测量和定位。
3. 表面形状：目标物体表面的几何形状，包括曲面、平面等。
4. 三维坐标：目标物体在三维空间中的位置坐标，通常用X、Y、Z表示。
二、测量方法1. 三角测量法：利用三角关系计算目标物体的三维坐标。
通过测量目标物体上的特征点在不同视角下的投影位置，利用三角关系计算出目标物体的三维坐标。
2. 相位测量法：利用光波的相位差来测量目标物体的三维形状。
通过测量光波在目标物体表面的相位差，可以得到目标物体表面的高程信息。
3. 结构光测量法：利用结构光投射到目标物体上产生的图案来测量目标物体的三维形状。
通过测量图案在目标物体上的形变，可以得到目标物体的三维形状信息。
三、仪器设备1. 光学测量仪：包括光学投影仪、相机、激光器等。
光学投影仪用于产生特定的光学图案，相机用于捕捉目标物体上的图案，激光器用于产生激光束。
2. 影像处理系统：用于处理相机捕捉到的图像，提取特征点和计算三维坐标。
3. 计算机系统：用于控制测量仪器和处理测量数据，进行三维坐标计算和可视化显示。
四、应用领域1. 工业制造：用于产品质量检测、零件尺寸测量等。
可以实现非接触式、高精度的三维测量，提高生产效率和产品质量。
2. 地质勘探：用于地质构造的测量和分析。
可以获取地表和地下的三维形状信息，帮助研究地质变化和资源勘探。
3. 医学影像：用于医学影像的三维重建和分析。
可以获取人体器官的三维形状和表面特征，帮助医生进行诊断和手术规划。
4. 文化遗产保护：用于文物的三维数字化和保护。
三维光学测试系统应用技术研究
三维光学测试系统应用技术研究引言随着科技的不断发展，三维光学测试系统应用技术已经逐渐成为了工业生产和科学研究领域中不可或缺的重要技术之一。
三维光学测试系统可以对物体的形状、尺寸、表面粗糙度等进行高精度的测试和测量，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备、医疗器械等领域。
本文将对三维光学测试系统的应用技术研究进行探讨，以期能够更好地了解和应用这一重要的技术。
一、三维光学测试系统的原理和技术特点三维光学测试系统是一种利用光学原理和相关技术进行三维空间测量的系统。
其原理是通过测量相机接收到的物体表面光线的轨迹和数量，进而计算出物体表面的形状、尺寸和表面粗糙度等相关信息。
三维光学测试系统的技术特点主要包括以下几个方面：1. 高精度：三维光学测试系统具有高精度的优势，可以实现微米甚至纳米级别的测量精度，适用于对高精度要求的物体进行测量。
2. 非接触性：与传统的测量方法相比，三维光学测试系统采用非接触式测量，不会对被测物体造成损伤，且适用于对表面有特殊形状或脆弱物体进行测量。
3. 高效性：三维光学测试系统具有高效的特点，可以实现对大尺寸物体的快速测量和数据处理，提高生产效率。
二、三维光学测试系统的应用领域三维光学测试系统已经被广泛应用于众多领域，包括航空航天、汽车制造、电子设备、医疗器械等。
具体应用如下：1. 航空航天领域：在航空航天领域，三维光学测试系统可以应用于对飞机零部件的尺寸、形状和表面质量进行检测，确保零部件符合设计要求，提高飞行安全性。
2. 汽车制造领域：在汽车制造领域，三维光学测试系统可以用于汽车车身和零部件的尺寸和形状检测，还可以用于汽车外观质量检测，提高汽车质量和外观。
3. 电子设备领域：在电子设备领域，三维光学测试系统可以用于电子元件的尺寸和形状检测，还可以用于半导体芯片的制造和检测，确保电子设备的性能和质量。
4. 医疗器械领域：在医疗器械领域，三维光学测试系统可以用于医疗器械的尺寸和形状检测，确保医疗器械的安全性和有效性。
光学三维测量技术综述精选文档
光学三维测量技术综述精选文档TTMS system office room 【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-光学三维测量技术综述1．引言客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。
三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。
如图所示。
图三维测量方法分类接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。
但是尽管如此，依然会有一些缺点[2]：(1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。
(2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。
(3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。
接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。
该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。
并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。
在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。
但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。
非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。
核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法等非光学的非接触式三维测量方法也都可以测量物体的内部及外部结构的表面信息，且不需要破坏被测物体，但是这种测量方法的精度不高。
而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用,被公认是最有前途的三维轮廓测量方法[3]。
三维光学测试系统应用技术研究
三维光学测试系统应用技术研究一、三维光学测试系统的原理和特点三维光学测试系统是通过光学镜头对被测物体进行扫描和成像，利用光学测量原理来获取被测物体的三维形貌和表面特征的一种测试技术。
与传统的接触式测量系统相比，三维光学测试系统具有以下的特点：1. 高分辨率：三维光学测试系统可以实现微米甚至纳米级的分辨率，能够捕捉到被测物体表面的微小细节和变化。
2. 高精度：由于采用了非接触式测量的方式，能够避免传统接触式测量系统中由接触误差引起的测量误差，具有更高的精度。
3. 多功能性：三维光学测试系统可以对不同形状和材质的物体进行测试，能够适用于多种复杂的测量场景。
4. 高效率：采用了自动化的扫描和成像技术，可以快速获取被测物体的三维形貌和表面特征，提高了测试效率。
5. 无接触式测量：避免了传统接触式测量中可能对被测物体造成的损伤，保护了被测物体的完整性。
二、三维光学测试系统的应用领域1. 航空航天领域：在航空航天领域，对于航空器件和发动机等部件的表面质量和形状精度要求非常高，三维光学测试系统可以帮助工程师对这些部件进行高精度的三维形貌和表面特征的测量。
2. 汽车制造领域：在汽车制造领域，对于汽车外观造型和零部件的精度要求也很高，三维光学测试系统可以帮助汽车制造商对汽车外观和零部件进行精确的测量和检验。
3. 电子器件领域：在电子器件领域，对于微型电子元件和电路板的制造和质量控制同样需要高精度的测试系统，三维光学测试系统可以帮助电子行业提高产品的质量和生产效率。
4. 医疗器械领域：在医疗器械领域，对于医疗器械的外形和表面特征的控制也非常严格，三维光学测试系统可以帮助医疗器械制造商对产品进行精确的质量检验。
5. 其他领域：除了上述几个领域之外，三维光学测试系统还可以应用于船舶制造、建筑工程、文物保护、地质勘探等各种领域的测试和检测工作。
三、三维光学测试系统的应用技术1. 光学测量方法：三维光学测试系统主要采用了相位测量和结构光投影两种主要的光学测量方法。
光学测量三维形貌的综述汇总
光学测量三维形貌的综述汇总光学测量三维形貌是一种非接触式的测量技术，可以实时且非破坏地获取物体表面的三维形貌信息。
这种测量技术在工业制造、医学、文化遗产保护等领域具有广泛的应用。
本文将综述光学测量三维形貌的原理、方法、应用以及未来的发展方向。
光学测量三维形貌的原理是基于光的散射与反射特性。
光线在物体表面的反射或散射会受到物体表面形貌的影响，通过测量光线的变化可以确定物体表面的形状和高度信息。
光学测量三维形貌的主要方法可以分为三种：三角法、光栅投影法和相位移法。
三角法是光学测量三维形貌最常用的方法之一、它基于三角形的几何关系，通过测量物体表面上多个点与光源之间的距离和角度，计算出物体表面的形状和高度信息。
这种方法简单直观，测量精度较高，适用于表面比较平整的物体。
光栅投影法是一种通过投射光栅纹影来测量三维形貌的方法。
它利用光栅的周期性纹理，在物体表面投射一组光栅纹影，通过测量光栅纹影的形变和位移，推导出物体表面的形状和高度信息。
这种方法适用于表面比较复杂的物体，如曲面和薄膜。
相位移法是一种通过测量光波的相位变化来计算三维形貌的方法。
它利用光的干涉原理，通过在物体表面上投射一组相干光束，并通过相位移的测量得到物体表面的高度信息。
这种方法具有测量精度高、适用范围广的优点，但需要复杂的光学系统和数据处理算法。
光学测量三维形貌在工业制造中有广泛的应用。
例如，在汽车制造中，可以用光学测量技术来评估车身的质量和精度；在航空航天制造中，可以利用光学测量技术来检测飞机表面的缺陷和变形；在电子制造中，可以通过光学测量技术对电路板和芯片进行形貌测量。
在医学领域，光学测量三维形貌也具有重要的应用。
例如，可以利用光学测量技术来测量人体的表面形貌，用于人体测量、假肢制造和医学成像；还可以利用光学测量技术对生物组织的表面形貌进行分析和诊断。
光学测量三维形貌的未来发展方向主要包括提高测量精度、扩展测量范围和提高测量速度。
随着光学技术、图像处理算法和计算机性能的不断提高，光学测量三维形貌的应用将更加广泛。
光学投影式三维轮廓测量技术研究
光学投影式三维轮廓测量技术研究光学投影式三维轮廓测量技术是一种利用光学原理进行三维物体表面形状测量的技术。
它可以通过对物体表面投影光线，并观察投影结果，来获得物体表面的三维轮廓信息。
光学投影式三维轮廓测量技术主要包括两个关键步骤：光源的投影和投影结果的测量。
在光源的投影阶段，通常采用点光源或线光源来照射待测物体。
通过改变光源的位置、光源的形状或光的颜色等参数，可以实现不同投影效果，进而获取不同程度的表面轮廓信息。
在投影结果的测量阶段，使用合适的测量仪器（如相机或扫描仪）对投影结果进行捕捉，并进行图像处理和数据分析，从而获得物体表面的三维轮廓信息。
1. 非接触性测量：光学投影式三维轮廓测量技术可以在不接触物体的情况下进行测量，避免了传统测量方法中可能产生的物体损伤或变形问题。
2. 高精度测量：通过合适的光源和测量仪器，以及精确的数据处理算法，可以实现高精度的物体表面形状测量。
对于一些具有复杂表面形状或微小特征的物体，光学投影式三维轮廓测量技术可以提供更准确的测量结果。
3. 快速测量：与传统的三维测量方法相比，光学投影式三维轮廓测量技术通常具有较快的测量速度。
这主要得益于光学投影的非接触性和计算机图像处理的高效性。
光学投影式三维轮廓测量技术在众多领域都有广泛的应用。
例如在工业制造中，可以用于产品质量检测、尺寸测量和形状分析等方面；在医学领域，可以用于人体无创检测、病变分析和手术导航等方面；在文化遗产保护中，可以用于文物修复和数字化保存等方面。
光学投影式三维轮廓测量技术是一种灵活、精确和高效的三维测量方法，具有广泛的应用前景。
随着相关技术的不断发展和改进，相信它将在更多领域展示出更多的潜力和优势。
基于光学技术的三维检测与测量
基于光学技术的三维检测与测量随着科学技术的不断发展，人们对于实物的量测和检测需求也越来越高。
而传统的二维量测方法已经不能满足现代人的需求，更加精准和快速的三维量测方法因此应运而生。
其中基于光学技术的三维检测与测量技术非常的受人们的青睐，因其非接触测量、高精度、高速度等特点而得到广泛的应用。
一、光学三维检测技术光学三维检测技术是一种通过发射光源，在观测区域内接收返回的光线，利用光学的原理，进行三维形状和尺寸量测的检测技术。
光学三维检测具有接触面积小、高精度、高速度等显著特点，是应用相机成像、投影等技术实现的。
目前，光学三维检测技术主要包括结构光法、激光三角测量法、视觉测量法及数字全息术等。
二、结构光法结构光法依托于光源对被测物体表面投射光图案进行三维检测。
利用由投影器投射的光栅或随机图案，位于另一固定位置的相机采集对应图案，根据成像图案的偏移量，便可推断出相机与目标投影面之间的距离。
从而可以计算出被测物体的三维测量结果。
结构光法可以实现高速度测量，准确度比较高，同时也可以适用于很多不规则物体的量测，因此受到了广泛的关注和应用。
例如除了常规工业制造过程中的三维量测外，近年来，也引入半导体厂所使用的牛顿环对象检测以及胶合板打孔定位等方面，成功取得了应用。
三、激光三角测量法激光三角测量法，顾名思义，就是利用激光进行三角测量，常用于高精度测量。
其原理就是三角形中，若知道了两条边的长度和其夹角，那么就可以计算出第三条边的长度。
利用此原理，我们可以将激光光束投射到被测物体表面，观测光线在表面上反射的位置，计算反射位置与投射位置之间的夹角，再与激光光线和被测物体表面法线（直接垂直于表面的一条线）之间的夹角，即可得出被测物体所在空间的位置坐标。
一旦给定了空间坐标的数据，就可以得到被测物体的三维形状和尺寸测量结果。
四、视觉测量法视觉测量法简单来说，就是利用飞行时间被称为“TOF“的技术（利用飞行时间计算距离），测定距离来获得物体测量数据。
光学三维原理
光学三维原理光学三维技术是利用光学原理获取物体表面的三维信息，从而重建物体表面的三维模型。
以下是光学三维原理的主要内容：1. 三角测量原理三角测量原理是利用光线反射和折射的原理，通过测量光线与物体表面的交点，确定物体的三维坐标。
该方法需要使用激光束或光源对物体表面进行照射，并使用摄像机拍摄光线与物体表面的交点。
通过对交点的坐标进行计算，可以确定物体的三维位置。
2. 相位测量原理相位测量原理是利用光线在物体表面上的相位变化，通过测量相位的变化量来确定物体的三维位置。
该方法需要在物体表面上粘贴特定的编码图案，并使用摄像机拍摄图案的变形。
通过对变形图案的相位进行分析，可以确定物体的三维位置。
3. 立体摄影法立体摄影法是利用两个或多个摄像机从不同的角度拍摄同一物体，通过图像之间的差异来确定物体的三维位置。
该方法需要将多个摄像机的图像进行对齐和匹配，以确定物体的三维坐标。
4. 激光扫描技术激光扫描技术是利用激光束对物体表面进行扫描，通过测量激光束与物体表面的交点来确定物体的三维位置。
该方法需要使用高速激光扫描仪和精确的控制系统，以实现高精度的三维测量。
5. 光栅纹理技术光栅纹理技术是利用光栅投影到物体表面上的纹理信息，通过分析纹理的变化来确定物体的三维位置。
该方法需要在物体表面上粘贴特定的编码图案，并使用摄像机拍摄图案的变形。
通过对变形图案的纹理进行分析，可以确定物体的三维位置。
6. 相位差技术相位差技术是利用光线在物体表面上的相位变化，通过测量相位的变化量来确定物体的三维位置。
该方法需要在物体表面上粘贴特定的编码图案，并使用摄像机拍摄图案的变形。
通过对变形图案的相位进行分析，可以确定物体的三维位置。
与相位测量原理不同的是，相位差技术只需要测量两个变形图案之间的相位差，而不需要对每个图案单独进行分析。
7. 时序加权汇聚技术时序加权汇聚技术是利用不同时间点的测量结果进行加权平均，以获得更准确的三维坐标。
该方法需要在不同的时间点对同一物体进行多次测量，并对每次测量的结果进行加权平均。
光学三维测量技术与应用
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2.2航空三维激光扫描
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航空三维激光扫描与摄影测量技术是将三维激光扫描 仪和航空摄像机装载在飞机上，利用激光测距原理和航空 摄影测量原理，快速获取大面积地球表面三维数据的技术 。通过基于全球定位系统(GPS) 和惯性测量装置 (IMU) 的机载定位定向系统(POS) 联接，构成当今世界上摄影测 量与遥感领域最先进的 LIDAR (Lisht Detection and Ranger) 对地观测系统。
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3.3地形地貌测量
航空三维激光 扫描技术可以 用于地面的航 空遥感定位和 影像获取，还 可实时得到地 表大范围内目 标点的三维坐 标，同时，它 也是目前唯一 能测定森林覆 盖地区地面高 程的可行技术 。
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小结
光学三维测量技术的主要特点是实时性、主 动性、适应性好。光学三维测量数据经过简单的 处理就可以直接使用，无需复杂的数据后处理， 由于无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境 下应用；三维激光扫描技术和 GPS 等技术结合起 来形成的航空三维激光扫描技术，可以直接获取 真实地表的高精度三维信息，具有传统摄影测量 方法无法取代的优越性，在诸多领域得到更深入 和更广泛的应用。目前我国在这方面的技术比较 薄弱，国外成熟产品只能用于民用因此，我们应 当借鉴国外的经验，研究开发自己的适用系统， 给国家的经济建设和国防建设提供技术手段。
航空三维激光扫描系统一般由四个子系统组成 ：激光雷达发射接收系统，定位系统，数据获取、控制、 显示系统，基于地面的数据处理系统。
梁飞飞
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3.三维激光扫描技术的应用
光学三维形状测量技术的应用范围很广，从传统的 制造业到新兴的三维动画产业和虚拟现实领域等。
梁飞飞
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3.1服装制作
光学三维测量技术
再现）等诸多领域。
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4
总结
光学三维信息获取技术有多种，每种方法各有其产生
背景和适用范围，各有优缺点。随着现代计算机技术的
飞速进步，计算机图形图像处理、辅助设计、多媒体技 术越来越广泛深入地应用于工业、国防、医学、影视业、 广告等各个领域，人们经常需要能迅速地获得物体表面 的三维信息，将其转变成计算机能直接处理的数据。如
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3
应用
3、医学图像三维表面重建： 现代医疗诊断常常需要借助一些辅助设备为诊 断提供可靠的、完整的信息，因此，人体组织与 器官的三维成像技术在现代临床医学中起着越来 越重要的作用. 医生可以将重构出的器官图像进行旋转缩放等 操作，使医生能够更充分地了解病情的性质及其 周围组织的三维结构关系，从而帮助医生做出准 确的诊断和制定正确的手术方案。
这种测量方法测量精度高，但测量范围受到光波 波长的限制，只能测量围观表面的形貌和微小位移， 不适于宏观物体的检测。
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2
测量原理
3、三角测量法： 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。
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2
测量原理
基于三角测量原理的三维测量技术 基于结构光的主动三角法 被动三角法 数字摄影测量技术 双目视觉
点光源法 点照明 1D线探测器 2D扫描
线光源法 线照明 2D线探测器 1D扫描
光学方法测量三维形状综述
物体 的表 面特 征与 校 准表 面 之 间 的差 异。
通 常 应 在 类似 的表 面上 进 行 校 准 ， 以保 证 测 量 精 度 彩 变 化 ，透 明度 差 异 ， 以及 未 经 校 准
供 的是 有关 三雏形状测 量的文献 目录 ，尽 管 它并不很详尽 。
主题 词 ：三 维 形 状 测 量 ；坐 标 测 量 ；光 学 方 法 ；综 述
１ 简 介 、
工 业 上 需 要 对 三 维形 状 的物 体 进行 精 确 测 量 ，以 加 速 研发 进 度 和 保 证 产 品制 造 质 量 。 三 维 形 状 的应 用 领 域 十分 广 阔 ，包 括 智 能 机 器 人 和 车 辆 制 导 障 碍 探 测 的 控
维普资讯
３ ・ ６
《 云光 技术 ） ０２ Ｖ ｌ ４ № ２ ２０ ｏ ３
光 学 方 法 测 量 三 维 形 状 综 述
［ ］Ｆａｋｔｅ ，Ｇ ｒｏ 美 ｒ ｈｎ ｏｄｎＭ．Ｂｏ ，Ｍｕ ｎ ｓｎ ｎ ｒ ￣ａ ｍｉ ｏ ｇ
［ 要 】本 文 首 先 对 采 用 各 种 光 学方 法 进 行 三 堆 形状 测 量 给 以 综述 。 然 后 我 们 集 中 阐 明 摘 结构 光 学技 术 ，其 中 包括 各 种 光 学 配 置 ， 图 象 捕 获 技 术 ，数 据 处 理 、 分 析 方 法 和 优 缺 点 。 文 中列 举 了若 干 工 业 应 用 实例 ，还 讨 论 了需 要 进 一 步研 究 开发 的 重要 领 域 。 最 后提
通 过它 们 产 生 的 轮 廓 条 纹 由 Ｃ Ｄ摄 象 机 Ｃ
电子线路 ，分辨率可达 到亚毫米级 。据最 近报 导 ，与时间相关 的单 光子计数方 法在
浅谈光学三维测量技术
浅谈光学三维测量技术作者：刘航李渌洁王英鸿来源：《科技创新与应用》2015年第30期摘要：光学三维测量属于非接触式光学面形测量方法，能快速准确测量出物体的表面形状，被广泛地应用在机械、电影等领域。
文章概述了光学三维测量技术的分类，介绍了几种常见的光学测量技术及其在各个领域的应用。
关键词：光学三维测量；三维激光扫描；面结构光光学三维测量是指运用光学方法获取物体表面的三维立体坐标的技术。
光学三维测量利用现代光学技术成就，结合光电子学、计算机图像处理等学科成就发展起来的一种先进测量技术。
1 光学三维测量的分类图1 光学三维测量技术分类图光学三维测量技术按测量原理可以分为摄影测量方法、结构光技术和光学干涉方法。
摄影测量法是基于多视角的非主动式测量方法。
在普通照明（阳光、日光灯）情况下，由摄像头获取多视角物体图像，利用计算机查找多幅图像的同态标记点，进而获得物体的表面形貌。
结构光技术通过不同宽度且明暗相间的结构光照射被测物体表面，获取到的经物体调制的图像，再经过计算获取物体的立体形貌信息。
光学干涉法是利用干涉原理进行测量，具有高精度、高分辨率等优点。
以下介绍几种常见的光学三维测量方法。
图2 三维激光扫描工作原理图三维激光扫描技术根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，光电探测器接收反射光，通过对采集到数据进行计算得到物体的深度信息。
三维激光扫描仪包括发射器和接收器。
发射器射出一束脉冲激光，激光经过物体表面漫反射，沿相同路线射入接收器。
由脉冲激光发射到反射被接收的时间tL可计算出扫描点到扫描仪的距离值S。
扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲的水平方向角α和垂直方向角度β。
依据上述数据计算出扫描点的三维空间坐标（XP、YP、ZP）[1]。
双目视觉技术属于摄影测量方法，是通过视差原理被动测量三维数据的技术。
双目视觉技术测量物体三维形貌的原理是，从两个或以上的视角去观察一个物体，获得多张不同视角下物体的二维图片，根据三角测量原理得出同一个像素点的坐标偏差，以此获得测量物体的三维形态。
三维测量技术综述
三维测量技术综述基于工业摄影与机器视觉的三维测量技术综述摄影测量(Photogrammetry)是一门通过分析记录在胶片或电子载体上的影像来定被测物体的位置、形状和大小的科学，属于测绘学的分支学科。
它包括航空摄测量、航天摄影测量和近景摄影测量等。
其中，近景摄影测量是指测量范围小于100米，相机布设在物体附近的摄影测量。
近年来，随着微电子和半导体技术的飞速发展，尤其是固体阵相机和计算机硬件的发展，使得工业摄影测量已进入全数字近景摄影测量时代。
同时，随着机器视觉理论的迅速发展，机器视觉也逐渐发展成一门由计算机技术、控制理论、人工智能和模式识别等众多领域交叉综合的新学科。
1.三维形貌与变形测量技术简介光学三维形貌与变形测量技术经过近年来的快速发展，涌现出多种技术及方法。
其中主要有：时间飞行法、全息干涉法、莫尔条纹法、结构光方法（点、线、面）、数字摄影测量法和数字图像相关法等，下面介绍几种常用的三维测量方法，并分析在这些方面的研究发展情况。
1）时间飞行法时间飞行法(Time of Flight)基于三维形貌对激光束产生的时间调制。
原理如图1所示。
激光脉冲信号从发射器发出，经待测物体表面反射后，沿近乎相同的路径反向传回接收器，检测激光脉冲从发出到接收时刻之间的时间差，就可以计算出距离。
结合扫描装置使激光脉冲扫描整个物体就可以得到三维形貌数据。
图1 时间飞行法原理图时间飞行法的分辨率约为1 mm。
若采用亚皮秒激光脉冲和高分辨率的电子器件，深度分辨率可达亚毫米级。
采用时间相干的单光子计数法，测量lm距离，深度分辨率可达30μm;另一种称之为飞行光全息技术的测量方法利用超短光脉冲结合数字重建，深度分辨率可达6.5μm，这种方法的优点是不存在阴影和遮挡问题。
但是要得到较高的测量精度，对信号处理系统的时间分辨率有较高的要求。
2）全息干涉法全息干涉法测量技术利用光的相干性原理，如图2所示，当两束相干性好的光束在被测物体表面相遇时，其光波发生干涉，形成的干涉条纹反映了物体的形貌信息。
镜面反射面形光学三维测量技术综述
文章编号:1005-5630(2005)02-0090-06镜面反射面形光学三维测量技术综述X陶 涛,郭红卫,何海涛(上海大学精密机械工程系,上海200072) 摘要:讨论了用于测量镜面反射物体三维面形的各种光学技术。
这些技术分为被动式测量和主动式测量两大类。
被动式测量包括基于光度学的测量技术和基于镜面反射成分恢复面形技术。
主动式测量主要是采用结构光技术测量镜面物体。
同漫反射物体的三维测量技术相比,现有镜面物体三维测量技术的发展还不成熟,其技术研究已严重滞后于其需求的快速增长。
文章可为深入研究镜面反射物体的三维测量技术提供有益的参考。
关键词:三维面形测量;镜面反射;漫反射;主动测量;被动测量中图分类号:T N247 文献标识码:AOverview of optical three -dimensional measurement technique for specular reflection surfacesTA O Tao ,GUO H ong -w ei ,H E H ai -tao(Depart ment of P recisio n M echanical Engineer ing ,Shanghai U niver sity ,Shanghai 200072,China ) Abstract :In this paper ,different kinds of optical m ethods used fo r three -dimensional (3-D )shape measurement of specular reflectio n objects are discussed .They can be classified into tw o gro ups :passive measurement m ethods and active measurement m ethods.The fo rmer includes the methods base on photom etric and shape fr om specularity.T he latter makes use o f the structur ed light pared to those for diffuse reflection objects,the existing 3-D measurem ent techniques fo r specular objects are not ripe and fall behind the urgent need .This article pro vides beneficial references for research and development of 3-D measurement metho ds for specular reflection o bjects .Key words :three-dimensional shape m easur em ent;specular reflection;diffuse reflection;active measurement;passiv e measurement1 引 言上个世纪70年代以来,光学三维测量技术以其高精度、高效率和非接触性的优点在高速检测,产品开发、质量控制、反求工程、CAD/CAM 等领域得到广泛的应用和发展[1]。
光学三维测量技术及其应用
室内GPS
工业CT
根据各个透射方向上各体积元 的衰减系数从不同，按照一定 的图像重建算法，即可获得被 检工件内部三维结构。
现有工作基础及其应用
结构光辅助三维成像系统 结构光辅助三维显微数字成像 人体三维扫描 可移动文物三维成像系统 动态角测量系统 网格平面结构尺寸数字化快速检测装置
结构光辅助三维成像系统
各种原型机
相位辅助三维显微数字成像
将三维数字成像与建模体系结构引入显微结构中，通过修改的双目体视显微镜，实 现显微结构的条纹投影、相位重建、深度数据获取，从而获得定量显微三维成像。
设备结构图与实物图
相位辅助三维显微数字成像
拍摄的实际显微物体，视场3mm
三维显微成像系统分辨率表征
使用USAF1951分辨率板，验证横向分辨率为3.1微米（2X物镜，NA0.83）
白光干涉扫描
利用超短相干长度的白光形成多波长干涉条纹（0相位点）作为特征，结 合扫描技术测量物体表面3D形貌。
1
1
2
2
3
单色光干涉
多波长干涉
允许光程差：3 μm
Z向分辨率：0.1nm 测量范围：150 mm x150 mm
激光共聚焦扫描
共焦成像 + 扫描测量
激光共聚焦扫描 成像对比度增强。
激光干涉测量 基本原理： 相干光干涉测量。迈克耳逊、索菲、马赫-泽德干涉仪……
测量口径: 150 mm 参考镜精度：≥λ/20 条纹分辨率：≥180条纹 测量重复性：优于λ/300
相移干涉测量法
光学表面面形测量， 如平面度。
无限变焦扫描（Infinite Focus ，IF） 基本原理：
变焦技术 +
多相机立体视觉测量
光学三维测量技术
1 概述
物体三维形状测量
接触式测量
物体三维接触式测量得典型 代表就是三坐标测量机 (CMM,Coordinate Measuring Machine)。
非接触式测量
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。
23-04
1 概述
1:
图
三 坐 标 测 量 机
23-18
3 应用
3、医学图像三维表面重建:
现代医疗诊断常常需要借助一些辅助设备为诊 断提供可靠得、完整得信息,因此,人体组织与器官 得三维成像技术在现代临床医学中起着越来越重 要得作用、
医生可以将重构出得器官图像进行旋转缩放等 操作,使医生能够更充分地了解病情得性质及其周 围组织得三维结构关系,从而帮助医生做出准确得 诊断与制定正确得手术方案。
这种测量方法测量精度高,但测量范围受到光波 波长得限制,只能测量围观表面得形貌与微小位移,不适 于宏观物体得检测。
23-10
2 测量原理
3、三角测量法: 光学三角法就是最常用得一种光学三维测量技术,
以传统得三角测量为基础,通过待测点相对于光学基准 线偏移产生得角度变化计算该点得深度信息。根据具 体照明方式得不同,光学三角法可分为两大类:被动三角 法与基于结构光得主动三角法。
23-05
1 概述
物体三维形状测量
接触式测量 优势
灵活性强 精度高且可靠 测量方便
非接触式测量 微波技术
三角法
非接触式测量Байду номын сангаас
光波技术
干涉法
超声波技术 飞行时间法
23-06
1 概述
非接触式测量
微波技术
适合于大尺度三维测 量，爱里斑半径较大， 角度分辨率低。
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光学三维测量技术综述1．引言客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。
三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。
如图 1.1 所示。
图1.1三维测量方法分类接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。
但是尽管如此，依然会有一些缺点[2]：(1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。
(2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。
(3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。
接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。
该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。
并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。
在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。
但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。
非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。
核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法等非光学的非接触式三维测量方法也都可以测量物体的内部及外部结构的表面信息，且不需要破坏被测物体，但是这种测量方法的精度不高。
而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用,被公认是最有前途的三维轮廓测量方法[3]。
由于光不能深入物体内部，所以光学三维测量只能测量物体表面轮廓，因此，本文中所言光学三维测量即指光学三维轮廓测量，此后不再单独解释。
光学三维测量技术总体而言可以分为主动式光学三维测量和被动式光学三维测量，根据具体的原理又可以分为双目立体视觉测量法、离焦测量法、飞行时间法、激光三角法、莫尔轮廓术和结构光编码法等。
下面就刚刚提到的几种光学三维测量技术的原理进行逐一讲解。
2.测量原理2.1被动式光学三维测量2.1.1双目立体视觉测量法双目成像采用视觉原理来获得同一场景的2幅不同图像。
通过对物体上同一点在2幅图像上的2个像点的匹配和检测,可以得到该点的坐标信息。
测量原理如图2.1.1所示。
设摄像机基线长为B,视差定义为D= P1- P2,其中P1、P2为空间点W(X,Y,Z)在2像面上的投影点,则由几何关系可得Z=Bf/ D。
计算出物点的深度坐标后,其它2个坐标可以通过简单的几何透视关系得出。
双目视觉成像原理简单,但由于需要在两幅图像中寻找对定点的匹配,实际计算过程较为复杂。
图2.1.1 双目立体视觉法三维测量原理图2.1.2离焦测量法离焦测量法根据标定出的离焦模型计算被测点相对于摄像机的距离。
测量模型如图2.1.2所示。
参考点A成像在像平面上的A'点,物体表面上的B点成像在B'点,则在像面上形成两个像点B1和B2,测出两点之间的距离则可以得到物体上点B的坐标。
镜头前挡板上挖的两个小孔保证了探测器上最外围的两像点是由轴上物点形成的。
离焦测量法避免了寻找精确的聚焦位置,但却增加了标定过程的复杂性。
另外，由于每次只能获取一个轴上点的三维坐标，所以离焦测量法需要通过二维扫描来完成物体轮廓面上各离散点的坐标测量，因此测量效率比较低。
图2.1.2 离焦测量法原理图2.2主动式光学三维测量2.2.1飞行时间法飞行时间法(Time of Flight，简称TOF)简单而言就是通过激光或者其他光源脉冲发射时间，通过测量飞行时间达到测量的目的，测量系统模型如图2.2.1所示。
该测量方法具体如下：首先利用系统发射的激光或其他光源脉冲照射被测物体，通过反射原理到达系统接收器接收，就可以计算出激光或者其他光源脉冲的运行时间及距离。
通过对被测量物体外部形态逐步扫描在通过数据处理得到物体的三维原始外貌。
该测量方法运用激光或者其他光源脉冲飞行时间进行及接收器的带宽、灵敏度等进行测量，并且时间间隔的误差在一个很小的范围之内。
因此运用飞行时间法的测量系统目前误差已经达到微米级[3]。
为了进一步使该系统的测量精度提高，目前比较常用的方法是提高测量系统工作时的频率，同时可以通过相位调制的方法。
当激光束幅度被正弦波调制时，测量系统与被测物体之间的距离就可以由发射光束和接收光束之间的相位差得到。
相位调制测量方法与脉冲调制方法相比较要复杂许多，然而减小了带宽，而且通过正弦波相位调制能够获得比较大的测量视角。
基于飞行时间法的测量系统装置复杂，并要求配备带宽大、灵敏性高以和热稳定性好的电子设备，因而造价偏高，这些因素制约了其实际应用。
图2.2.1 飞行时间法原理图 2.2.2激光三角法近年来随着激光技术的发展,激光三角形法逐渐得到广泛应用。
它所采用的光源主要有点结构、线结构和双线结构。
其基本原理是光学三角形原理,如图2.2.2所示。
由图可以得到=/tan(), arctan(/)L B d f αγγ-= (2.2-1)由此可以得到深度信息L 。
这种方法具有原理简单、测量速度快和精度高等优点;缺点是对物体表面特性和反射率、复杂程度等有较大限制[4]。
图2.2.2 激光三角法2.2.3莫尔轮廓术莫尔轮廓术又可以称为莫尔等高线法，是一种非接触式三维测量方法，1970年由H.Taksaki首次提出。
莫尔轮廓术得到莫尔条纹的方法如下：一个基准光栅和投影到三维物体表面上受到物体表面高度调制的变形光栅叠合来形成莫尔条纹，而该条纹描绘出了被测物体的等高线，然后根据莫尔条纹的分布规律就可以得出被测物体的表面形貌。
从这个基本原理出发，出现了几类不同布局的莫尔轮廓装置，主要为影像莫尔法、投影莫尔法和扫描莫尔法以及移相莫尔法等。
(1)影像莫尔法影像莫尔法(shadowmoirémethod)采用基准光栅,把它放在靠近被测物体表面处,用点光源或平行光源照射基准光栅,并在另一侧通过基准光栅观察物体,形成干涉条纹,如图2.2.3-1所示。
鉴于此原理,影像莫尔法的测量范围必须小于所使用基准光栅的范围,而制作大面积、高精度的基准光栅十分困难,所以只适合测量较小尺寸的物体。
另外,当被测物体表面梯度变化较大时,投影到表面的栅线易发生散射而变得模糊,限制了被测物体的可测景深,所以只适合测量表面变化较为缓慢的物体。
图2.2.3-1 影像莫尔法原理(2)投影莫尔法投影莫尔法利用光源将基准光栅经过聚光透镜投影到被测物体表面,经物体表面调制后的栅线与观察点处的参考栅相互干涉,从而形成莫尔条纹。
它与影像莫尔法的主要区别在于在投影光和接收器附近各放置1个光栅,这样就可用较小的高密度栅板代替较大尺寸的基准栅板来检测较大的物体,扩大了检测物体的范围。
一般,这种方法的检测精度和条纹分辨率没有影像莫尔法高。
上述两种方法是通过基准栅和试件栅之间的干涉形成莫尔条纹,所得的条纹图是等高线,通过分配条纹级次和确定条纹中心来解调等高线上的高度信息,对所得条纹的处理分析包括条纹中心线的跟踪、条纹级数的确定和表面凸凹性的判别等,这就限制了应用过程的自动化。
同时,此种方法不适合测量表面梯度变化较大的物体。
为了弥补此方面的缺点,可通过移动条纹或采用复合栅代替单一频率的栅线。
图2.2.3-2 扫描莫尔法原理图（3）扫描莫尔法在阴影莫尔法和投影莫尔法中，如要判断得出被测物体表面的凹凸情况，只能从莫尔等高线上出发，因此就很难在计量中进行确定。
为了使莫尔法能够满足三维面形的自动测量，在投影莫尔法中可以使一块基准光栅（投影系统中的光栅G1 或成像系统的光栅G2）沿垂直于栅线方向做微小地移动，然后对于目标物体表面的凹凸情况可以采用莫尔条纹同时移动的方向来确定。
如果类似于投影莫尔法测量，但是在成像系统中不用第二块基准光栅去观察，而是像电视扫描那样通过电子扫描的方法得到观察的基准光栅，这种方法就称为扫描莫尔法，它的基本原理如图2.2.3-2所示。
实际中替代第二块基准光栅的扫描线可以利用计算机图像处理系统去加入，这就意味着只要通过图像系统（包括摄像输入）获取一幅变形的光栅像，因此要想得到莫尔条纹，只要采用计算机得到光栅的方法就可以得到。
通过计算机产生的第二块基准光栅的周期和光栅的移动都容易改变，这种扫描莫尔法的图像系统能够实现三维面形的自动测量。
综上所述，莫尔轮廓术的主要特点在于：○1能够对三维物体的粗糙表面形貌进行测量，也能够对镜面形貌测量以及大尺寸的物体表面测量。
测量的灵敏度可以在很大范围内进行调整；○2对测量装置的稳定性要求不高而且装置简单可靠，对外界条件要求不严格，相干光源和非相干光源都可以适用；○3易于和高速摄影技术相结合，适合测量动态三维形貌，易于和电子计算机技术相结合，来获得莫尔条纹的数字输出和实现虚拟光栅技术。
2.2.4结构光投影法根据光学测量系统的投射模式,结构光投影法能够为以下几种：点结构光投影法、线结构光投影法、多线结构光投影法、网格结构光投影法、面结构光投影法。
点结构光投影法即为激光扫描法，而多线结构光投影法可以视为面结构光投影法的一种特例，所以这里只讨论线结构光投影法和面结构光投影法。
（1）线结构光投影法线结构光投影法也可以以光带模式投影法命名。
在测量时投射系统产生的光束在空间中由于一个柱面镜的作用出现一窄的平面狭缝光，当与被测物体的表面相交时，在被测物体的表面上产生了一个亮的光条纹。
该光条纹因为被测物体表面深度的变化和可能的间隙从而受到调制，表现为图像的光条纹发生了不同变化和不持续，而且被测物体高度越高，所得图像的畸变程度越大，而被测物体表面之间的物理间隙则可以通过所得图像的不连续性得出[5]。
线结构光投影的主要目的就是从发生了不同变化的光条纹的图像数据中获得被测物体表面深度的三维数据。
线结构光投影法可以视为点结构光投影法的扩展。
相对于点结构光投影法来说，线结构光投影法大大提高了测量效率，而测量精度相比之言只是略低，此方法在商业上获取三维深度信息的应用已经非常成熟。
（2）面结构光投影法在线结构光投影法的基础之上，井口征士等人提出了一种更为优越的结构光投影法，就是面结构光投影法的。
即将各种模式的面结构光投影到被测物体，在面结构光被投影到目标物体之时，如果从与投影光轴方向不同的观测点方向来看，在目标物体表面产生由于物体形状的凹凸变化而随之发生畸变的面结构光条纹，这种畸变是由于所投影的面结构光条纹收到目标物体的表面形状的调制所引起的，所以被测物体表面形状的三维信息也就包含在内。