光学非接触式三维测量技术

光学三维测量技术及应用

摘要：随着现代科学技术的发展，光学三维测量已经在越来越广泛的领域起到了重要作用。本文主要对接触式三维测量和非接触式三维测量进行了介绍。着重介绍了光学三维测量技术的各种实现方法及原理。最后对目前光学三维测量的应用进行了简单介绍。

1 引言

随着科学技术和工业的发展，三维测量技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、反求工程、CAD/CAM以及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。。

光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。光学测量主要应用在现代工业检测。借用计算机技术，可以实现快速，准确的测量。方便记录，存储，打印，查询等等功能。

光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。随着现代检测技术的进步，特别是随着激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，三维测量技术逐步成为人们的研究重点。光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用。

2 三维测量技术方法及分类

三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。如图1所示。

图1 三维测量技术分类

2.1 接触式测量

物体三维接触式测量的典型代表是坐标测量机(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是一种大型精密的三坐标测量仪器[1]，它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。

三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括：（1）灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；（2）测量精度高且可靠；（3）可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能化程度。

早期的坐标测量机大多使用固定刚性测头，它最为简单，缺点也很多[2]。主要为（1）测量时操作人员凭手的感觉来保证测头与工件的接触压力，这往往因人而异且与读数之间很难定量描述；（2）刚性测头为非反馈型测头，不能用于数控坐标测量机上；（3）必须对测头半径进行三维补偿才能得到真实的实物表面数据。针对上述缺陷，人们陆续开发出各种电感式、电容式反馈型微位移测头，解决了数控坐标测量机自动测量的难题，但测量时测头与被测物之间仍存在一定的接触压力，对柔软物体的测量必然导致测量误差。另外测头半径三维补偿问题依然存在。三维测头的出现可以相对容易地解决测头半径三维补偿的难题，但三维测头仍存在接触压力，对不可触及的表面（如软表面，精密的光滑表面等）无法测量，而且测头的扫描速度受到机械限制，测量效率很低，不适合大范围测量。

2.2 非接触式测量

非接触式测量技术是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的，其测量基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。随着各种高性能器件如半导体激光器LD、电荷耦合器件CCD、CMOS图像传感器和位置敏感传感器PSD等的出现，新型三维传感器不断出现，其性能也大幅度提高，光学非接触测量技术得到迅猛的发展。

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。其中，光学非接触式测量是非接触式测量中主要采用的方法。

3 光学非接触式三维测量的概述

光学非接触式三维测量技术根据获取三维信息的基本方法可分为两大类：被动式与主动式。如图2所示[3]。

主动式是利用特殊的受控光源（称为主动光源）照射被测物，根据主动光源的已知结构信息（几何的、物体的、光学的）获取景物的三维信息。被动式是在自然光（包括室内可控照明光）条件下，通过摄像机等光学传感器摄取的二维灰度图像获取物体的三维信息。

图2 光学三维测量方法分类

3.1 光学被动式三维测量

由于被动式没有受控的主动光源，无需复杂的设备，并且与人类的视觉习惯比较接近。被动式测量技术主要用于受环境约束不能使用激光或特殊照明光的场合，或者由于保密需要的军事场合。一般是从一个或多个摄像系统获取的二维图像中确定距离信息，形成三维面形数据，即单目、多目视觉。当从一个摄像系统获取的二维图像中确定信息时，人们必须依赖对于物体形态、光照条件等的先验知识。如果这些知识不完整，对深度的计算可能产生错误。从两个或多个摄像系统获取的不同视觉方向的二维图像中，通过相关或匹配等运算可以重建物体的三维面形。当被测目标的结构信息过分简单或过分复杂，以及被测目标上各点反射率没有明显差异时，这种计算变得更加复杂。

以两个摄像机为例，双摄像机的系统又称为双目视觉系统，双目视觉系统的几何关系是非常简单明确的，但由于遮掩或阴影的影响，被测物体某些部分有可能只出现在立体点对的一个观察点上。有时CCD图像传感器由于能量被物体表面大量吸收而得不到足够的、由物体反射回来的能量，满足对应点匹配计算的候选点有可能出现假对应。因此，被动三维传感的方法常常用于对三维目标的识别、理解以及用于位置、形态分析，这种方法的系统结构比较简单，目前在机器视觉领域应用广泛。立体视觉的基本几何模型如图3[4]所示。

双目立体视觉(Stereo Vision)根据同一空间点在不同位置的两个相机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。测量原理如图4[5]所示。一个完整的立体视觉系统通常可分为六大部分，包括：（1）图像采集。即通过图像传感器如数码相机等获得图像并将其数字化。

（2）摄像机标定。就是通过实验和计算得到摄像机内外等参数。

（3）特征提取。它是指从立体图像对中提取对应的图像特征，以进行后面的处理。

（4）图像匹配。它将同一空间点在不同图像中的映像点对应起来，由此得到视差图像。

（5）三维信息恢复：由相机标定参数和两幅图像像点的视差关系，求出场景点的深度信息，把不同的深度信息量化为不同的灰度值来表示，进而恢复景物的三维信息。

（6）后处理：因恢复的三维信息有不连续性，所以要对恢复出的三维信息