光学三维测量技术ppt课件
光学三维扫描仪原理
光学三维扫描仪原理
光学三维扫描仪是一种通过光学原理实现物体三维信息获取的设备。
其原理基于光学测量和图像处理技术，使用扫描仪内部的激光器发射一束光线照射到待测物体表面，然后通过一组镜头或光学系统对反射回来的光线进行捕捉和记录。
光学扫描仪通过改变光线的入射角度和位置，以及记录物体表面的反射光线信息，来获取物体表面的形状和纹理细节。
通过扫描仪的高速数据捕捉功能，能够准确地获取物体表面的坐标位置和颜色信息。
在光学扫描过程中，激光器发射的光束会在物体表面发生折射、反射和散射。
扫描仪会采集反射回来的光线，并通过镜头或光学系统将光线聚焦到光电探测器上。
光电探测器会将反射光线转化为电信号，并传输给计算机系统进行处理。
通过对多个不同角度和位置的光线进行捕捉和记录，光学三维扫描仪可以获取整个物体表面的三维坐标信息。
计算机系统会根据捕捉到的数据点，生成物体的三维模型或点云，并进行后续的数据处理和分析。
除了获取物体的形状信息，光学三维扫描仪还可以获取物体表面的纹理细节。
通过记录光线与物体表面的散射情况，扫描仪可以获取物体表面的纹理图像，用于精确还原物体的外观特征。
在实际应用中，光学三维扫描仪具有高精度、高效率和非接触等优点，已广泛应用于制造业、工艺设计、文化遗产保护等领
域。
通过光学原理的应用，光学三维扫描仪能够准确获取物体的三维信息，为多个领域的研究和应用提供了强大的技术支持。
ARAMIS三维应变光学测量系统
在物理力学性能测试中，使用ARAMIS系统，有助于深入了解材料和零件的力学行为和性能，特别适于测量瞬时和局部应变。
ARAMIS系统采用非接触测量方式，适用于各种材料的静态和动态试验，获取完整的力学性能参数。
在物理力学性能测试中，使用ARAMIS系统，有助于您深入了解材料和零件的力学行为和性能，特别适于测量瞬时和局部应变。
ARAMIS系统采用非接触测量方式，适用于各种材料的静态和动态试验，获取完整的力学性能参数。
其中包括：三维型面坐标三维位移和变形速度表面应变应变率区别于传统的应变测量，ARAMIS提供了全新的全场应变测量方法。
测量范围涵盖几毫米的式样到数十米的大型零件。
无需对试样进行复杂和费时的制备，测量过程方便快速。
对试样的几何形状及测量环境（温度）没有限制。
ARAMIS为材料测试提供新的解决方案测定材料特性分析零件强度验证有限元分析实时监控试验设备ARAMIS技术特点：非接触测量适合于各种材料不受试样的几何形状限制二维和三维测量便携、灵活全场测量高精度满足高温测试高速测试便于与各种测试设备集成测量范围从小尺寸到大型零件应变范围从微应变到大应变ARAMIS系统配置：武汉中创联达科技有限公司，专业从事光电子影像产品（低照度相机、高速摄像机，超高速摄像机，高分辨率相机及其图像分析软件）的销售、研发， 提供特殊环境下的拍摄、成像服务。
在以下应用领域提供产品：1、高速摄影 （弹道学、碰撞实验、高速粒子运动实验 PIV 、材料学、气囊膨胀实验、燃烧实验、电弧运动、 离子束运动、流体力学、喷射实验、爆炸分析以及其他超高速运动领域）2、高分辨率成像 （弹道学、粒子运动实验 PIV 、工业质量检测、喷射实验、电泳现象、火焰分析）3、 显微成像 （微生物光学成像、分子细胞成像）4、 低照度成像 （燃烧实验、弹道学、碰撞实验、爆炸分析、天文学领域、微光成像、工业检测监视）5、光谱成像 （红外感应范围应用、光源波谱分析）6、高速运动分析软件及PIV 系统分析软件。
三维视觉检测
II
哈尔滨工业大学
目录
摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 第 1 章 绪论..................................................................................................... - 1 1.1 课题背景............................................................................................. - 1 1.2 结构光三维测量技术......................................................................... - 1 1.3 国内外发展现状................................................................................. - 1 第 2 章 光学三维测量技术............................................................................. - 3 第 3 章 三维测量技术中相位移及相位展开................................................. - 4 3.1 相位移原理......................................................................................... - 4 3.2 相位展开算法..................................................................................... - 5 3.2.1 空间相位展开算法.................................................................. - 5 3.2.1 时间相位展开算法.................................................................. - 6 第 4 章 三维重建过程..................................................................................... - 7 4.1 三步相移算法..................................................................................... - 7 4.2“2+1”步相移算法 ................................................................................ - 7 4.3 时间相位去包裹法............................................................................. - 8 4.4 杂点去除算法..................................................................................... - 9 4.5 相位值向空间三维坐标转换算法..................................................... - 9 4.6 基于 Look-up Table 的快速算法 ..................................................... - 10 第 5 章 总结与展望....................................................................................... - 10 -
光学三维测量技术应用举例并解析
光学三维测量技术应用举例并解析
光学三维测量技术是一种通过光学原理和数学模型来测量物体三维形态和位置的技术，可以应用于很多领域。
以下是一些光学三维测量技术的应用举例：
1. 航空航天：光学三维测量技术可以用于飞机、火箭、卫星等的设计、制造和维护中。
例如，利用激光三角测量法和相移法可以快速测量飞机机翼、机身的形态尺寸和表面粗糙度；利用三维扫描仪可以对航空设备进行三维建模，方便进行数字化制造。
2. 汽车制造：光学三维测量技术可以应用于汽车设计、制造、测试和维护中。
例如，在汽车制造过程中，可以利用激光三角测量仪对车身各部位进行快速、高精度的三维测量，以保证车身的精度和稳定性；利用三维扫描仪可以对汽车零部件进行三维建模。
3. 医疗领域：光学三维测量技术可以用于医学成像、手术导航和矫形医疗等领域。
例如，在牙科矫形过程中，利用激光三角测量仪可以快速，准确地测量牙齿位置和尺寸，以确定矫形方案。
4. 文化遗产保护：光学三维测量技术可以应用于文化遗产保护，如对文物、建筑、遗址等进行三维测量和数字化保护。
例如，利用三维激光扫描仪可以对文物、
建筑等进行全面而精确的三维数字化保护，方便后续保护、修复和展示。
总之，光学三维测量技术是一种非常实用的测量技术，可以在各个领域得到广泛应用，为很多工作带来了便利和效率提高。
4.2 点结构光测量原理_光学轮廓术_[共2页]
![4.2 点结构光测量原理_光学轮廓术_[共2页]](https://img.taocdn.com/s3/m/bd26c986f01dc281e43af0d2.png)
第4章 光切法三维轮廓测量技术944.2 点结构光测量原理点结构光的光透射器发射出一束激光，激光束与被测物体表面相交产生亮点，亮点经透视成像到摄像机像平面上，其几何模型如图4-1所示。
在光线上以一点s o 为原点，以光线为s x 轴，建立点结构光传感器测量参考坐标系s s s s o x y z −。
光线上某一点P 在测量参考坐标系中的方程为s s s 00x t y z =⎧⎪=⎨⎪=⎩ （4-1）式中，t 为P 点到测量参考坐标系原点s o 的距离。
将式（4-1）代入考虑摄像机镜头畸变时的摄像机模型变换式（4-2），可得点结构光视觉传感器的数学模型表达式（4-3）。
1123789456789()()d x x x d y y w w w x d xr xt w w w z w w w y d yr yt w w w z X s d U C Y d V C r x r y r z T fX r x r y r z T r x r y r z T f Y r x r y r z T δδδδ−⎧=−⎪=−⎪⎪+++⎪=++⎨+++⎪⎪+++⎪=+++++⎪⎩ （4-2） 11s 7s 4s 7s ()()d x x x d y y x d xr xt z y d yr yt z X s d U C Y d V C r x t fX r x t r x t f Y r x t δδδδ−⎧=−⎪=−⎪⎪+⎪=++⎨+⎪⎪+⎪=+++⎪⎩（4-3） 式中，T 147[]r r r 和T []x y z t t t 是点结构光视觉传感器的结构参数。
由式（4-3）可知，只要己知s x 轴在s s s s o x y z 坐标系中的方向矢量T 147[]r r r 和平移矢量T []x y z t t t （f 作为内部参数已确定，在各传感器模型中均作为已知参数），就可由计算机图像坐标(,)U V 求出t ，从而得到点结构光传感器的测量坐标(,0,0)t ，达到测量的目的。
光学测量的基础知识课件
光在不同物质中传播速度一般不同，在真空中最快。
光线直线传播的应用
可应用于光学测量、定位、光学仪器等。
光学成像原理
01
02
03
成像原理
基于透镜或反射面的折射 或反射原理，将物体成像 于视网膜或探测器上。
成像公式
1/f = 1/u + 1/v，其中f 为透镜焦距，u为物距，v 为像距。
成像质量
光学测量通常采用非接触式测量方式 ，具有高精度、高分辨率、非破坏性 等优点。
光学测量特点
高精度
实时性
光学测量利用光的干涉、衍射等效应，可 以实现高精度的测量，达到纳米级甚至更 高级别的测量精度。
光学测量可以实现实时在线测量，可以在 生产过程中快速获取测量数据，及时调整 生产工艺，提高产品质量。
非接触性
环境监测
光学测量可以用于环境监测，如空气质量、水质、噪声等 环境参数的测量。
医学诊断
光学测量在医学领域也有广泛应用，如医学影像、光学显 微镜、激光治疗等。
科研领域
光学测量在科研领域也有重要应用，如物理实验、化学分 析、生物研究等。
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光学测量基本原理
光线传播定律
光线传播方向
光线在均匀介质中沿直线传播，当通过不同介质时，会发生折射 和反射现象。
利用光谱和偏振等光学技术实现对大气污染物的监测，如 二氧化硫、氮氧化物等。
水质监测
利用光学技术实现对水体中的污染物、悬浮物、叶绿素等 物质的监测。
气象观测
利用光学技术实现对云层、风向、风速等气象参数的观测 。
光学测量在安全防范中的应用
光学防盗系统
利用红外、微波等光学技术实现 防盗报警，具有高灵敏度和高分 辨率等优势。
光学三维测量系统标准
VDI/VDE准则2634 第1部分德国工程师协会(VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE，简称VDI )德国电气工程师协会(VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK，简称VDE)光学三维测量系统，逐点探测成像系统准则内容初步说明（）1适用范围2符号参数3验收检测和复检原则4验收检测4.1品质参数“长度测量误差”的定义4.2检测样本4.3测量程序4.4结果评估4.5等级评定5检查5.1测量流程5.2评估5.3检测间隔（时效）和报告参考书目初步说明（概述）光学三维测量系统是一种通用的测量和测试设备。
在所有情况下，使用者一定要确保使用中的光学三维测量系统达到所需的性能规格，特别是最大允许测量误差不能超出要求。
就长远而言，这只能通过统一的验收标准和对设备的定期复检来确保。
这个职责归测量设备的制造者和使用者共同所有。
使用价位合理的检测样本且快速简单的方法被各种样式、自由度、型号的光学三维测量系统的验收和复检所需要。
这个目的可以通过长度标准和跟典型工件同样方式测量的检测样本实现。
本VDI/VDE准则2634的第一部分介绍了评估逐点探测式光学三维测量成像系统的准确性的实用的验收和复检方法。
品质参数“长度测量误差”的定义与ISO 10360-2中的定义类似。
独立的探测误差测试是不需要的，因为这个影响已经在长度测量误差的测定中考虑进去了。
VDI/VDE准则2634的第二部分介绍了用于表面探测的系统。
本准则由VDI/VDE协会测量与自动控制（GMA）的“光学三维测量”技术委员会和德国摄影测量与遥感协会的“近景摄影测量”工作组起草。
在联合委员会中，知名用户的代表与来自大学的专门研究光学三维测量系统领域的成员合作。
1适用范围本准则适用于可移动的、灵活的光学三维测量系统，该系统有一个或几个起三角测量（如摄影测量）作用的成像探头（如相机）。
光学三维测量技术ppt课件
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，
3D光学数字化系统与CAD/CAM/CAE以及RP&M集成可以构成基于
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2 测量原理
2、干涉法：
一束相干光，同过分光系统分成测量光和参考光 ，利用测量光波和参考光波的相干叠加来确定两束光 之间的相位差，从而获得物理表面的深度信息ΔZ(xy).
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01
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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
光波技术 超声波技术
光波波长短，角度分 辨率和深度分辨率高 ，三维测量运用最多 。 可穿透介质实现无损 检测探伤，但需耦合 介质，限制了用范围 。
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7
1 概述
光波技术
三角法 干涉法
最常用的光学三维测量技术，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 。
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3
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的典型 代表是三坐标测量机(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。
23-01
三维数据测量技术
激光跟踪仪
该产品可以认为是激光跟踪技术和三维视觉技术的结合产品。
系统如右图所示，测笔上装有一个测量头、
若干个目标靶点（红外发光二极管）、一个猫眼，
它们之间的相互位置关系已知，通过获得目标靶
点、猫眼的空间位置可以计算出测量头的空间位
置。
在测量时，首先通过激光跟踪仪检测到猫
眼的位置，从而得到测笔的大概位置，然后相
缺点：
1）精度比传统的三坐标测量机要低，精度一般为 10μm 级以上； 2）关节臂测量机可能有测量死角或精度特别差的区域； 3）测量效率比较低。
美国 FARO 公司生产的铂金系列关节臂测量机单点精度可达 0.005mm，空间长度精 度可达 0.02mm，重量最轻可不超过 9.0kg。
非接触式三维测量技术
接触式 “测头直接与零件表面接触”
三维测量技术
基于“力-变形”原理的触发式测量
非接触式 “间接获得”，基于磁场、光学、超声波等物理模拟量
接触式三维测量技术
典型的接触式测量设备是三坐标测量机（CMM）和关节臂测量机。
上图关节臂测量机
关节臂测量机
优点：
1）机械结构简单； 2）运动灵活，测量范围大； 3）便携性好等特点。
特点： 1）具有测量速度快； 2）单次测量的数据点多，具备大规模采集表面数据的能力； 3）非接触式扫描，非接触式三维光学扫描方式，可针对外观复杂、自由
曲面、柔软易变形或易磨损等物体进行扫描； 4）精度高，独特的标定技术可使单面精度可达4μm。
在飞机、汽车和船舶等大型复杂零件的外形轮廓测量中已得 到了广泛的应用。
主要内容
• 研究的背景及意义 • 三维数据测量技术现状
1
研究的背景及意义
众所周知，测量一直都是工业领域中的重要内容，从产品的研制、 加工、到装配，各个环节都需要测量。在实际的生产中，利用传 统的检测方法对大型构件的测量，不仅费时费力，而且不易达到 精度的要求。 比如对航空大型构件、发动机叶轮、船体等测量。
12 光学三角法三维测量技术
2）
Qx, y g x, y. g0 x, y rx, yexp jx, y
ImQx, y x, y arctan ReQx, y
由相位与高度的关系式：
P0 P h 2 tan 2 sin
I k x, y Ax, y Bx, y cos x, y k
上式中包含三个未知量，于是只要记录一个周期内三个以 上不同相移的变形条纹图，便可计算出。 四步相移法：
I 4 x, y I 2 x, y x, y arctan I1 x, y I 3 x, y
X Z cot
t an Z m M Y t an sin 0 - cos 0 N
n
12.3.4 多线结构光测量原理
遵循三角测量原理，例如以LCD投射仪作为投射源， 其投射的经过计算机编码的多条纹扇形结构光照射景 物，一次投射在景物上形成多个光条纹。
x
ax' b sin 2 - x' cos 2
两种测量方法比较：
斜射法： 优点：信噪比及灵敏度均较高，测量精度一般高于直射法，可 用于微位移检测，尤其适用于对光滑表面的位置检测。 缺点：入射光束与接收装置光轴夹角过大，对于曲面物体有遮 光现象，对于复杂面形物体这个问题的影响更为严重。 直射法： 优点：光斑较小，光强集中，不会因被测面不垂直而扩大光照 面上的亮斑，可解决柔软材料及粗糙工件表面形状位置变化测 量的难题。 缺点：由于受成像透镜孔径的限制，探测器只接收到少部分光 能，光能损失大，受杂散光影响较大，信噪比小，分辨率相对 较低。
12.1 三维测量技术及应用
根据测量分辨率和测量量程的不同，将三维测量技术分为 宏观三维形状和微观三维形貌测量技术，本章介绍的三维 测量技术针对宏观三维形状测量。
光学三维测量技术综述
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]。
第三章光学三维传感
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通常，采用一维线阵探测器，使投影光轴、成像光轴和探测器 阵列位于同一平面，这时像点只在x方向上沿探测器阵列移动
有效光源位于x轴上即△yi=0,yx=zs=0，
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这种由一个投影光轴和一个成像光轴构成的测量系统又称为单 三角测量系统。 •这种测量方法要求投影光轴和成像光轴之间保持恒定的夹角。 •用这种系统完成一维或二维物面高度的测量，必须在整个传感器 (包括投影和成像)和被测物体之间附加一维或二维的相对扫描 •单三角法中距离的测量是通过比较一个相对于物面的像点和 一个相对于基准面的像点而实现的。
扫描镜是一个双面镀膜的反射镜，保证了投影 光线和成像光线的完全同步旋转
多面锥棱镜的旋转完成了x方向的同步扫 描，而M3反射镜的慢速旋转完成了y方向 的扫描，从而构成三维面形测量功能
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3 采用激光片光的三维传感
1.激光片光的产生 采用线结构照明的三维传感系统中，投影器投射片状光束，这种光束 又称片光或光刀。
单片图象卡可以完成1024 X 1024 X 8bit图象的存储。多 片的已经可以满足存储 32幅 512X512X8bit的图象要求。
有单色（也称伪彩色）和彩色图象卡
目前不少图象卡还装有各种不同功能的图象处理芯片 算术逻辑单元（ALU）、乘法器、查找表（LUT）可 以实现对图象的卷积、形态学、算术逻辑运算甚至高 速傅里叶变换等功能。
第1节 主动三维传感的基本概念
一、主动照明的三维传感方法
1. 方法：投影器发出结构照明光束，接收器接受由被测三 维表面返回的光信号，由于三维面形对结构照明光束产生 空间或时间调制，因此解调接收到的光信号就可以得到三 维面形数据。