三维测量技术及设备解读

三维测量技术及设备

1.三维测量技术的发展

计算机视觉是研究视觉信息的认知过程,从信息处理层次角度来分析,包括视觉信息处理中的计算理论、表达与方法。二十世纪中期,计算机视觉这一领域开始被人们所关注和研宄,然而直到理工学院的Mary教授在70年代后期才提出了较为全面的计算机视觉系统,他是从信息处理的角度来分析,并且参照了图像处理、心理物理学、神经生理学和临床精神病学的研究成果,这一概念的提出,使得计算机视觉的发展应用开始流行。从信息处理方面来看,Mary教授为计算机视觉系统的研究分为三个层次,首先是在以低层视觉处理方式为基础处理输入的原始图像时,要使用图像处理技术;然后是在获取场景的深度信息时要采用中层视觉处理方式:最后是通过高层视觉处理方式来识别特征点,并且以此来确定被测物体的相对位置等。

二十世纪八十年代,计算机视觉的研宄进入鼎盛时期,越来越多的研究者幵始关注这一领域。近年来,在针对几何计算机视觉的研究中,人们提出了通过由多幅图像序列按照不同的理论和算法,可以将三维物体的形状和摄像机的运动状态计算出来,这一概念的提出把射影几何等复杂的数学内容引入到计算机视觉中,从而形成了所谓的“多视图几何较好的描述了视觉中物体的粗细特征,降低了对计算机视觉系统中摄像机参数要求,因此提高了计算机视觉系统对噪声的鲁棒性。在图像三维测量研究中,发达国家的研宄开始的比较早,如美国、德国、加拿大、曰本等,从五十年代计算机视觉系统的较为全面

的提出,这些发达国家经过十多年的科学研究,已经提出了许多比较新颖的测量原理和方法,我国对计算机视觉方面的研究相对较晚一些。现今三维测量方法主要可分为主动式和被动式,主动式主要通过使用专门的光源照射被测物体,例如相位测量法,结构光测量技术等;而被动式主要依靠物体周围的光线,例如摄影测量法等2007年10月24日,我国自主研发的“婦娥一号”绕月人造卫星成功发射,卫星装备有一台三线阵CCD推扫立体相机,该相机的主要功能是为了获取月球表面的三维影像,构建立体相机扫描成像模型。

2. 三维测量方法及其原理

2.1 接触式扫描仪

接触式测量是三维面形测量的最为传统的方法，它所采用的典型的装置就是三坐标测量机。它以精密机械为基础，综合了光电技术，计算机技术和数控技术等。三坐标测量机的工作原理是：通过对零件表面点的测量来获得零件形面上零散点的几何信息，然后通过计算，还原出零件形面的几何信息，并在这些信息的基础上，计算出零件中的几何元素尺寸和形位公差。

只是随着科技的不断进步，其中的许多方法我们已经不再使用，但是，它们是我们在三维测量领域取得更大发展的坚强基石。在此列出，仅供对三维测量发展历程的了解之需。我们要主要介绍的就是目前应用较多的测量方法和技术，以及与之相关的部分内容。它以精密机械为基础，综合了光电技术，计算机技术和数控技术等。三坐标测量机的工作原理是：通过对零件表面点的测量来获得零件形面上零散

点的几何信息，然后通过计算，还原出零件形面的几何信息，并在这些信息的基础上，计算出零件中的几何元素尺寸和形位公差。

2.1.1 高精度测量机

在高精度化方面，Nikon 的 TRAISTATION SH830 型 CNC 三维测量机最为引人注目。其总体造型为高刚性龙门式结构，X、Y、Z 三轴全部采用陶瓷材质的导轨，并采用不会因 X 向运动而对 Z 轴导轨(测头)产生螺旋扭矩的特殊结构，于是其空间测量精度误差 U ≤(1 .8＋ 2 L/1000μm)，为这一级别测量机的最高水准。对环境温度要求由传统的20℃± 0.5℃放宽到20℃± 2℃，大幅度提高了测量机的环境适应能力。

2.1.2 高速测量机

在高速化方面，最受瞩目的当属卡尔蔡司公司的 UPMC 型高速扫描(HSS)三坐标测量系统。该系统采用了新型万能 3D 测头，可实现对测点的高速检测和对测量力的向量控制。与传统的“测点-测点”的探测方法相比，在同一时间内可测取 100 倍于传统方法的测点数据。例如，用传统的接触式测头测量φ 50 的孔径时，测 4 点需要耗时 10s，而在同样的 10s 内，HHS 系统可获取 1000 个点的测量数据。

2.1.3 耐环境型测量机

卡尔蔡司公司的 UMC 型、UPMC 型及 ZMC 型三坐标测量机，全部采用了温度补偿专用软件“CAA”，计算机辅助精密化)。利用温度传感器分别准确的测出 X、Y、Z 三轴所有准标尺及工件的温度，由

专用软件 CAA 在测量机开始工作时自动的读出这些温度值。在测量机正式工作时，对由于测量机实际工作环境温度偏离标准温度(20℃ )而造成的测量误差，会自动的进行线性补偿，从而增强了三坐标测量机对环境的适应能力，即其实际的工作环境温度范围可放宽到15℃~30℃。可见，其使用范围不限于实验室，而且可以直接走向生产现场。

除上述之外，还有“兰颗苔辣蒿布匈”开发的可用于长 1m、重 1t 的大型组件、曲轴的圆度、圆柱度等几何的测量，是面向汽车制造业的新产品。由 Mitntoyo 开发的新产品——“CV-L426”型非球曲面测量机，是超高精度轮廓测量的理想设备，在对眼镜的镜片、视频投影设备镜面等非球形曲面进行测量时，其分辨率为 0.025 μ m(Z 轴)、0.1 μ m(X 轴)、测量压力为 30N。日本“东京精密"与工业技术计量研究院共同开发的激光跟踪三坐标测量机的测量范围可达 5m ×5m×3m，坐标精度为 5~10 μ m，被测物体最高允许速度为500mm/s。

三坐标测量机的测量系统是将测量信息、测量脉冲生成程序“Geo-Teacher”与市售的 Auto CAD 结合起来在微机上运行的测量软件。其示意图如图 2.2 所示：三坐标测量机的有关技术已经走向成熟，已经由实验室走向企业，不再是企业炫耀的装饰性奢侈品，而是实实在在的生产设备。三坐标测量机的优点表现在：测量精度高，可以对复杂工件形状进行测量。其缺点也是很明显的，顾名思义，这种测量方法要求测头与被测物体表面接触，这样就导致测量速度