光学三维测量技术与应用

光学三维测量技术
1. 引言
人类观察到的世界是一个三维世界，尽可能准确和完备地获取客观世界的三维信息才能尽可能准确和完备地刻画和再现客观世界。

对三维信息的获取和处理技
术体现了人类对客观世界的把握能力，因而从某种程度上来说它是体现人类智慧的一个重要标志。

近年来,计算机技术的飞速发展推动了三维数字化技术的逐步成熟，三维数字化信息获取与处理技术以各种不同的风貌与特色进入到各个不同领域之中[1]:在工业界,它已成为设计进程中的一环，凡产品设计、模具开发等，无一不与三维数字化测量有着紧密的结合；虚拟现实技术需要大量景物的三维彩色模型数据，以用于国防、模拟训练、科学试验；大量应用的三坐标测量机和医学上广泛应用的CT机和MRI核磁共振仪器，也属于三维数字化技术的典型应用；文化艺术数字化保存（意大利的古代铜像数字化、中国的古代佛像数字化、古文物数字化保存、3D动画
的模型建构（电影如侏罗纪公园、太空战士、医学研究中的牙齿、骨头扫描，甚至人类学的考古研究等，都可运用三维扫描仪快速地将模型扫描、建构；而随着宽频
与计算机速度的提升,Web 3D的网络虚拟世界将更为普及，更带动了三维数字化扫描技术推广到商品的电子商务、产品简报、电玩动画等，这一切都表明未来的世界是三维的世界。

目前,有很多种方法可用来获取目标物体的三维形状数据，光学三维测量技术（Optiacl Three-dimensional Measurement Technique因为其非接触”与全场”的特点, 是目前工程应用中最有发展前途的三维数据采集方法。

光学三维测量技术是二十世纪科学技术飞速发展所催生的丰富多彩的诸多实用技术之一，它是以现代光学为基础,融光电子学、计算机图像处理、图形学、信号处理等科学技术为一体的现代测量技术。

它把光学图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用，其目的是从图像中提取有用的信号，完成三维实体模型的重构[2]。

随着激光技术、精密计量光栅制造技术、计算机技术以及图像处理等高新技术的发展，以及不断推出的高性能微处理器、大容量存
储器和低成本的数字图像传感设备、高分辨率的彩色图像显示系统等硬件设施的使用，不仅为光学测量领域的技术创新提供了可能，而且为其应用前景的拓宽提供了无穷的想象空间。

2. 光学三维测量技术
2.1三维测量技术
当前，已经被实际应用的三维测量技术被分为两大类：即接触式测量（Contact Method与非接触式测量（Non-contact Method,具体分类如图1所示［3］。

图1三维测量技术的分类
a接触式测量
接触式测量又称为机械测量，即利用探针直接接触被测物体的表面以获取其三维坐标数据。

坐标测量机（Coordinate Measuring Machine , CMM是其中的典型代表, 它可与CAD/CAM/CAE系统以在线工作方式集成在一起，形成实物仿形制造系统。

机械接触式测量技术已非常成熟，具有较高的灵敏度和精度，随着光电技术的进步，近年来出现了综合接触与非接触优点的光电探测触头。

尽管三坐标测量机获得物体表面点的坐标数据相对精度很高，但本身仍存在很多限制：扫描速度受到机械运动的限制，测量速度慢，且测量前需要规划测量路径；对软质材料测量效果不好,对测头不能触及的表面无法测量，如内孔,对一些边缘、尖角等几何特征的区域亦无法测量；使用接触式测头需补偿测头直径，且由于触头会磨损,需经常矫正以维持精度；测量仪器复杂,对环境要求很高，必须防震,防尘，恒温等;价格昂贵。

因此，难以满足当今高效率、高精度，大型面形的检测需要［4］。

b非接触测量法
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。

图2［5］给出的是非接触式三维测量技术中常用的三种电磁波谱。

微波适合于大尺度三维测量领域，采用三角测量原理（如全球定位系统，
global positioning system简称GPS 或者利用飞行时间法（Time-of-flight ,简称TOF , 如传统的雷达技术获取物体的三维信息。

由于微波波长较长，衍射形成的爱里斑（Airy Pattern半径较大,角度分辨率低,不能满足工业制造技术的要求,常用于航空航天领域。

超声波受到波长的限制，分辨率也不高，但由于可以穿透介质，可以实现零件材料内部的三维无损检测探伤,在工业检测领域得到广泛的应用，但由于需要耦合介质，限制超声探伤的应用范围。

与微波和超声波相比，光波波长短,在300nm （紫
外到3卩m红外范围内的光学三维传感器的角度分辨率和深度分辨率比微波和超声波高103到104数量级,主要通过三角法或者飞行时间法获得物体的深度信息,在三维测量领域运用的最多［5］。

2.2光学三维测量技术
由于计算机视觉与图像检测这一新兴学科的兴起和发展对物体面形的三维检测技术的研究近年来集中于非接触的光学三维测量方面。

常用的光学三维测量基本
原理有3种:飞行时间法、干涉法和三角法（见图2。

a飞行时间法
飞行时间测量法可以分为脉冲测距法和相位差测距法。

脉冲测距法是由测量
仪器发出一个短脉冲信号，该信号由被测物体反射返回，在经过了两倍的被测距离后被传感器接收。

通过测量同一脉冲信号从发射到接收的时间间隔t ,即可算得被
测距离值L=c*t/2, c是光速。

相位差测距法是测距仪对激光进行调制,通过测量调制光波往返被测物体一次所产生的相位
延迟来确定被测距离的⑹,原理如图3所示。

图3飞行时间法原理
飞行时间法主要优点是：具轴的光源和反射波束保证不存在阴影和盲区；对被测物体的表面性质无限制；不需要拍摄图像和作图像处理。

主要缺点是：装置复杂,欲形成距离图像，需要逐点测量，因而速度慢，从原理上就无法实现实时的深度图像。

这种方法的一般分辨力可达毫米级。

曾经报道的与单光子相关的时间技术，在1m 的范围内深度的重现性可达13卩m0与此相似的另一个技术是光渡越全息照相术，它使用短而暂时的相或非常短的光脉冲来产生一个具有繁衍性”的光波阵面的运动图像，并利用数字重建技术,可达到6.5卩m勺深度分辨力。

激光雷达三维成像系统就是采用相位差测距法实现三维测量的，该系统根据相位法测距原理,用激光雷达获取三维视觉信息。

发射、接收及扫描光学系统的全新设计,保证了激光雷达的空间分辨力极大的信噪比，并且具有部分光学自动增益补偿的功能。

然而随着距离的逐渐增大，由于返回信号的信噪比降低，均方误差随之增大，但在整个测距范围3m到30m内，测距均方误差小于80mm⑹。

b干涉法
干涉形状测量的思想就是条纹通过灵敏度矩阵的变化而形成的。

这种矩阵将
物体的几何形状同被测的光学相位相联系。

矩阵包括三个变量：波长、折射率、照明和观察方向。

由此产生三种测量方法：双频或多频干涉法，折射率变化法以及两种光源干涉法［7］。

通过获得干涉信息以获得三维图像的方法这种系统要求有远心摄像系统和能用多个激光频率连续照射物体的可变激光光源，从而可使用N个波长的激光产生干涉，N的范围可通过傅立叶算法来确定再利用频率域与空间域之间的傅立叶变换关系确定深度用N频干涉法测量深度有一个重要特征，即能够以超乎想象的准确度对顶蜂返回位置进行定位，然后通过对顶峰返回位
置进行插值来确定高度值［6］°
全息干涉测量是把干涉测量与全息照相结合起来，通过干涉条纹有效地把位相变化情况记录下来,对任意形状物体及其表面作动态三维立体图像摄影，并经图像
重叠产生干涉测量，可分为实测法和双重暴光法。

计算机全息干涉测量是用计算机数据模型直接显示三维零件的全息图，作为被测标准零件的波面，再与实际零件表面相干，即可检测出实际零件误差⑹°利用频移的双外差干涉是一种高准确度的深度测量技术。

研究显示在100m的测量范围内分辨力达到0.1mm。

干涉法的优点是不存在三角法中的遮挡问题。

利用相移干涉技术测量分辨力可优于10nm ;将相移
分析技术、干涉技术和外差技术综合起来，再配以精密的光学装置，测量误差可达到一个条纹的1/10000。

激光跟踪式系统也采用干涉原理测量距离，用两个高准确度的角度编码器来确定垂直角度和水平角度。

激光跟踪系统是一种扫描系统，通常用来跟踪光学传感器或机器人的位置⑹。

c三角法
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。

双目视觉是典型的被动三维测量技术，它的优点在于其适应性强，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息，缺点是需要大量的相关匹配运算以及较为复杂的空间几何参数的校准等问题，测量精度低，计算量较大,不适于精密计量，常用于三维目标的识别、理解以及位形分析等场合，在航空领域应用较多。

主动三维测量技术根据三维面形对于结构光场的调制方式不同，可分为时间调制和空间调制两大类,飞行时间法是典型的时间调制方法，激光逐点扫描法、光切法和光栅投射法是典型的空间调制方法[8] o
光学三维测量技术提供了各种原理不同的测量方法，以适应工程中不同测量精
度、分辨率、测量范围的要求。

可根据环境、对象等特定因素之不同而选择不同的测量方法。

一般来说,一种测量方法中可以实现的分辨率范围及其能够测量的物面尺度大小是有限的，从而限制了适用范围。

如果需要在更大范围内实现对物体的测量,则必须在测量系统中集成多种测量方法。

三角测量法等需要图像传感器的介入，同时又属于图像测量的范畴，因而也会利用图像分析法的一些理论。

禾U用多种信息融合来处理三维数据的获取问题，即多感知源的信息融合，这样可使问题简化同时可提高处理结果的准确性、灵活性。

3. 光学三维测量技术的应用光学三维测量技术的应用3.1逆向工程逆向工程是一种新的制造手段和系统，通过对已有样件或模型的内外轮廓进行精确测量，
获得其三维数据，配合计算机软件系统进行曲面重建，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，光学数字化
系统与CAD/CAM/CAE以及RP&M 3D集成可以构成基于虚拟模型的快速响应的设计和制造系统，主要优点包括：实际物体的准确和完整的模型；提供原始CAD文件格式；曲面造型和参数实体模型；在设计和制造中节省投入的时间和资
金［9］。

典型的范最为著名的非接触测量设备要数德国GOM公司的ATOS系列三维测量仪［10］。

例如图4所示，（a）用ATOS光学测量系统测量Beetle设计车模，（b）获得其三维数据，（c）建立多边形网格曲面模型，利用（d）快速成型系统或（e）数控铣床直接加工出车模。

（a）Measuring&digitizing Of the car model （b）Flat shaded display of the digitized data （c）Polygonized data（d）Rapid Prototyping Part based on the digitized data （e） Milled in Ureol, based on the digitized data图4光学测量技术与CAD/CAM/CAE结合实例
图5所示是基于条纹投影的三维成像系统-逆向工程实例。

图5条纹投影的三维成像系统实例此外，大量光学三维测量系统的软件包中，也集成有诸如边界元方法（EBM、有限元方法（FEM等以CAE（计算机辅助工程子模块，或提供有专业以CAE 系统的兼容接口，为工程中的各种问题提供解决方案。

事实上，光学三维测
量技术在逆向工程中的应用已经成为最具市场潜力的发展方向之一。

3.2三维人体
测量作为服装人体工学的重要分支，人体测量是保障服装业设计与生产的基础性工作。

随着计算机、自动化以及通讯技术在服装业中的广泛应用，人体测量技术在精度、速度以及数据的存储与传输方式上都要随之变革以满足服装数字化设计生产的需要。

三维人体测量是以光学测量为基础，使用视觉设备来捕获物体外形，然后通过系统软件来提取扫描数据。

其工作流程分为以下四个步骤：1通过
机械运动的光源照射扫描物体；2CCD摄像头探测来自被扫描物体的反射图像；3 通过反射图像计算人体表面特定点到摄像头的距离；4通过软件系统转换距离数据
产生三维图像［11］。

图6为美国Cyberware的全身三维扫描系统，它采用激光光源，由激光二级管发射一束激光到被扫描体表面，使用一个镜面组合从两个位置同时取景。

从一个角度取景时，激光条纹因物体的形状而产生形变，传感器记录
这些形变，产生人体的数字图像。

其最大的特点是识别并获取身体表面色彩信
息，这使得它的测量姿态更加灵活，因此应用范围更加广泛。

图6全身三维扫描系统3.3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。

目前常用的光学三维测量方
法，主要有计算机断层扫描，核磁共振成像和超声等，通过这些数字化设备得到人体断层二维图像，在计算机中重建成三维图像数据，并在屏幕上显示人体器官的立体视图。

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［12］。

光学三维测量还广泛用于研究面部软组织形态和对称性，比较牙齿的差异，以及外科、骨科用于脊柱及侧凸的检测，假牙假肢的
量身定做，具体实例如图7所示。

（a）球状关节（b）臀骨图7生物医学成像实例（c）膝部除此之外，光学三维测量技术还可以用于虚拟现实（提供虚拟现实系统所需要的大量三维模型数据，展示三维景像，模拟未知环境和模型）；文物
保护（三维彩色数字化技术能以不损伤物体的手段，获得文物的三维信息和表面色彩、纹理，便于长期保存、再现）等诸多
领域。

4.总结与展望总结与展望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。

如何将现实世界的立体彩色信息输入
计算机的问题是光学三维测量技术的研究重点，无论何时，基于计算机视觉的三
维信息获取技术将显示其不可替代的重要作用。

参考文献［1］胡寅著.三维扫描仪
与逆向工程关键技术研究［D］.华中科技大学,2005. ［2］孙贤斌.三维信息获取技术中定标与图形包含问题的研究［D］.华中科技大学博士论文,2010. ［3］何海涛.复杂面形的光学三维测相关技术研究［D］.上海大学博士论文,2005. ［4］郝煜栋，赵洋,李达成. 光学投影式二维形貌测量技术综述［J］.光学技术，1998. ［5］邵双运.光学三维测量技
术与应用[J].现代仪器，2008.⑹苑慧娟.彩色条纹组合编码三维测量技术研究[D]. 哈尔滨理工大学博士论文，2006. [7]曲睿.基于彩色编码方法实现物体的三维轮廓测量[D].大连理工大学硕士论文，2008. [8]周利民,胡德洲,卢秉恒.激光扫描三角法测量精度因素的分析与研究[J].计量学报,1998. [9]袁平.逆向工程技术的研究与工程应用[D].昆明理工大学硕士论文，2002. [10]南亮亮，刘伟军.逆向工程三维测量和数据处理[A]. 2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集（二）[C], 2007. [11]孙可可.自然着装状态下非接触式人体测量技术的研究[D].天津工业大学硕士论文， 2007. [12]张尤赛,陈福民.三维医学图像的体绘制技术综述[J].计算机工程与应用, 2002.。