常用的三维信息获取技术

光条纹
光 平 面
光 条 纹 的
光 平 面
图
象
摄得的百度文库象
光条纹
光
条
纹
的
图
象
摄得的图象
结构光源
摄象机
结构光源
摄象机
(a)
(b)
结构光测距示意
结构光、编码光方法是目前三维扫描中最常用的技术，属于主动式方法。 结构光法与人的视觉不同，其基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取景物中的几何信息，是一 种即利用图象又利用可控光源的测距技术。它以具有特殊结构形状的光源投射到待测物体上，形成光条纹， 根据光源与相机的相对位置，按照计算机视觉的理论，由光条纹的形状可以计算出被照射点的三维坐标，这 种方法又称为光条法。结构光从光源的几何形状上说有点状、条状、网状等许多种，可以采用激光或白光作 为光源。 以线状结构光为例，将很薄的光平面投射到物体表面，产生线状光条纹，相机在另一个方向拍摄。可以 想象，如果物体是一个圆柱，光条纹应该是一条直线，如果物体形状在深度上有变化，则光条纹也会发生弯 曲。这就是说，光条纹的形状反映了物体表面的形状信息。在拍摄的图象中检测出这些条纹，在经过装置定 标后，可以计算出光条纹上的点的三维坐标。配合机械扫描运动，光平面扫过物体整个外表面，就可以获得 物体表面各点的坐标。 1987 年，Boyer 和 Kak 提出了编码光方法，其原理与结构光法近似，通过时间、空间、彩色编码的光源 帮助来确定物体表面的空间位置。 结构光、编码光方法的突出优点是可以减少计算的复杂性，扫描速度快，量测精度高，特别适用于室内 环境下，物体表面反射情况比较好的场合，而且可以用于对柔软、易碎物体的扫描，因而成为当前应用最多 的三维信息获取技术。目前大部分三维扫描仪都是基于这一原理。早期以 Cyberware, Digibotics 公司最
向雷达学习：图象雷达
技术人员借助雷达的原理，发展了用激光、超声波等媒介来代替探针进行深度测量的技术。由测距器主 动向被测物体表面发射探测信号，信号遇到物体表面反射回来，依据信号的飞行时间或相位变化，可以推算 出信号飞行距离，从而得到物体表面的空间位置信息，称为“飞点法”或“图象雷达”。通常用激光或超声 波作为探测脉冲。基于这一原理的激光干涉仪，精度可达光波长量级。但它需要在物体上放置专门的反射体， 即属于有导轨测量，其应用范围受到很大限制，不能用于三维扫描。对于无导轨测量，目前基于这种技术， 不少公司开发出了用于较大尺度的测距场合（如战场、建筑工地等）的产品。
这种方法不涉及图象处理问题，且受遮挡的影响小，但对装置中的脉冲探测和时间测量设备精度要求高， 扫描速度慢。但随着精确时间计量仪器价格的降低和电子技术的发展，这种技术的发展前景仍然看好，目前 高精度计时器价格已经降到可以接受的水平。
这方面技术的最新进展，是采用经过调制的光作为照明光源，照射被扫描物体，分析拍摄的图象，得到 物体表面的三维信息，这样不需要机械扫描运动，一次就能完成一块区域的三维测量。从技术原理上说是相 当先进的，但目前离成熟商品化还有一段距离。
常用的三维信息获取技术
430074 湖北 武汉 华中理工大学 图象识别与人工智能研究所 图象信息处理与智能控制国家教委开放实验室
金刚 (Email: GatsbyKing@163.net) 李泽宇 陈振宇 李德华
三维（彩色）扫描技术，又称为三维（彩色）信息数字化技术，其关键在于如何快速获取物体的立体三 维信息，对此人们进行了长期的研究，发展了各种各样的方法。采用何种原理获取三维信息，在很大程度上 决定了装置的构造、性能、成本、适用范围，各类三维扫描装置的根本区别也在于此。
独辟蹊径：机械测量臂
值得注意的是，近年来 FARO、Immersion 等公司独辟蹊径，仍然借用三坐标测量机的接触探针原理，但 是将探针的驱动伺服机构改为可以精确定位的多关节随动式机械臂，由人牵引着装有探针的机械臂在物体表 面滑动扫描。机械臂的关节上装有角度传感器，可以实时测量关节的转动角度，根据臂长和各关节的转动角 度，可以很容易计算出探针的三维坐标。
由于探针的移动是由人来直接牵引、控制的，这就在很大程度上克服了三坐标测量机控制复杂，速度慢 的缺点，而且装置简化，结构轻巧，成本很低，灵活性得到很大的提高，充分体现了一种设计原则：基于简 单的原理，加上巧妙的构思，构成简单实用，价廉物美的新产品。虽然其速度仍比不上大多数光学扫描仪， 而且也无法进行彩色扫描，但仍然成为很有吸引力的新产品。FARO 和 Immersion 的产品小至桌面型，大者可 以测量飞机发动机、大型发电机、卫星天线、汽车的尺寸，FARO 的“银系列”在测量直径 2.4 米的物体时， 误差只有 0.075 毫米，而装置的重量仅 5 公斤。
最流行的方法：基于计算机视觉
L.Robert 在 1965 年发表了“三维物体的机器感知”一文，阐述了利用计算机视觉手段从二维图象获得 物体三维信息的可能性。随着计算机软硬件、激光、CCD、PSD 等技术的飞速发展，对数字图象处理、计算机 视觉理论研究的深入，基于计算机视觉理论的三维彩色信息获取技术成为这一领域技术发展的主流。特别是 八十年代以来，在这一领域，无论在理论、技术还是产品化方面，都取得了长足的进步。
三维扫描仪公司巧妙地将计算机视觉技术与机械测量臂技术结合起来，把基于结构光原理的扫描测量头 安装在机械测量臂上，以多轴扫描运动来克服物体形状复杂而造成的遮挡、不可视区问题，收到了很好的效 果。
深入内部：断层扫描
除了对物体外表面三维测量外，在有些场合，还需要获得物体内腔的尺寸，这时一般的方法就无能为力 了。人们先是使用工业 CT，以高能 X 射线对零部件内部进行分层扫描。但工业 CT 的存在几个严重缺点：价 格昂贵；精度不高，特别是 Z 方向精度差，且层厚在 1mm 左右；当材料密度变化大时精度受影响；使用过程 中存在放射性危险。
美国 CGI 公司生产的自动断层扫描仪（Automatic Cross Section Scanner，ACSS）可以克服这些缺点， 获得物体外形和内腔的结构数据，前提条件是允许对被测物体进行破坏。自动断层扫描仪测量精度远高于工 业 CT，而设备和运行费用一般只有后者的 20%。
自动断层扫描仪工作过程是：首先将待测零件置于一个开口的盒中，倒入专门的环氧树脂，填满空隙和 零件内腔，结成一个测试块。然后将测试块磨去很薄的一层（层的厚度可以根据精度要求而设定），对磨出 的横截断层表面进行扫描测量，检测其中零件的内外轮廓线，并进行平面测量，就可以得到零件这一层的尺 寸。完成后再磨去很薄的一层，再测量。如此反复，按设定的厚度逐层磨去，测量，最后将各层得到的数据 综合，就可以重建出待测件外形和内部结构。CGI 的 CSS-1000 测量精度可达 0.025mm，片层厚度可小至
早期的作法：接触测量
早期用于三维测量的是坐标测量机（Coordinate Measure Machine, CMM），目前 CMM 也仍然是工厂的标 准立体测量装备。这类装置将一个探针装在三自由度（或更多自由度）的伺服装置上，驱动探针沿上下、左 右、前后三个方向移动，当探针碰到物体表面时，分别测量其在三个方向的位移，就可以知道这一点的三维 坐标。控制探针在物体表面移动、碰触，可以完成整个表面的三维测量。量测精度高是其优点，其缺点也是 很明显的：价格昂贵；当物体形状复杂时，对探针运动路径的规划、控制相当复杂，使用非常不方便；每次 只能测量一个点，速度很慢；无法得到色彩信息。这种装置虽然也是通过探针在物体表面扫描来工作，但算 作纯粹的测量仪器更恰当些。
0.0127mm。
孰优孰劣：几种方法的性能比较
对于三维扫描系统的性能评价，一般考虑以下几个方面： 精度 速度 三维信息获取能力 色彩信息获取能力 扫描对象的广泛性 易用性 价格
下表将目前几种常用的三维扫描技术做了简单的比较。
类型
CMM
优点
9 精度高

9 不受物体表面反射特性影响





缺点
操作复杂 速度很慢 成本高 无法进行彩色扫描 接触式扫描 只能对外表面扫描
基于计算机视觉理论，先后提出了单目视觉法（包括 Shape from shading，Shape from Texture，Shape
from gradient，Shape from focussing 等）、立体视觉法（包括双目，多目视觉）、从轮廓恢复形状法、从 运动恢复形状法、结构光法、编码光法等多种三维信息获取方法，这些方法有的在现阶段只有理论研究的意 义，难于实用化，但其中如结构光、编码光等方法则成为目前大部分三维扫描设备的基础。
为著名。Cyberware 是较早投入这一领域的、比较成功的公司。他们八十年代就开发了针对人头部扫描的三 维扫描仪，采用低功率的线激光束扫描，用于动画制作，九十年代中期，又发展了可以对人体进行全身扫描 的装置。Digibotics 生产的 DigibotII 采用点状结构光，逐点测量，通过伺服装置的四轴运动完成扫描。设 备体积小，精度高，但由于每次只能测量一个点，扫描速度较慢，且无法获得色彩信息。九十年代以来，GTCO、 ATOS、三维扫描仪、MINOLTA、Hymarc、Tricorder、Inspeck、3Dsoft、Steinbichler 等公司都开发了基于 结构光原理和编码光原理的三维扫描仪。这些产品的性能、制造工艺均达到很高的水平。例如三维扫描仪公 司的产品以多轴扫描运动减少遮挡影响，配合 Surfacer 软件，可以完成三维构型、模型修正功能，提供多 种输出格式，扫描速度高，精度可达 10 微米。
光学扫描虽然成为技术主流，但目前大多数装置仍然存在一些缺点：装置一般都比较复杂，价格也偏高， 可能存在不可视区。这类装置目前最大的缺点是在使用中常常受物体表面反射特性的影响。从原理上说，这 类技术是依靠检测光源投射在物体表面后的反射光而工作的，因此当物体表面的反射条件不佳，例如接近完 全吸收、镜面反射、透明等情况时，装置就难以正常工作。基于雷达法的三维扫描技术同样存在类似的缺点。
除了计算机视觉方法外，还可以利用几何光学的聚焦原理，向物体表面发射激光束，根据透镜成象模型， 根据光斑的聚焦、散焦和光学系统参数，可以计算物距，进而得出深度信息。莫尔干涉条纹法利用莫尔干涉 原理直接获取物体表面的等高线。这些原理也被用于一些三维扫描装置。此外，还发展了全息干涉测量、 Fresnel 衍射法等技术。
但对于小尺度场合的物体扫描，这类方法最大的困难在于探测信号和时间的精确测量，时间上一个很小 的误差，乘上光速，得到的距离误差就很大。通常采用经过调制的激光，根据反射的调制波的相位变化来推 算距离。Leica 公司，Acuity 公司推出了采用激光或红外线的测距仪，精度在毫米级，Senix 公司则开发了 超声测距仪。这种方法一般每次测量物体表面一个点，配合机械装置的扫描运动，完成对整个表面的扫描测 量。
基于计算机视觉原理获取三维信息的方法可以分为两大类：被动式和主动式。 立体视差法是被动式方法的代表，根据三角测量原理，利用对应点的视差可以计算视野范围内的立体信 息，用于双目和多目视觉。 这种方法模拟人的视觉方式，以两部位于不同位置的相机对同一目标拍摄两幅图象，得到一组“像对”。 对于目标上的一个采样点，它在两幅图象上都成象，根据它在两幅图象中的象点和相机位置，可以引出两条 “视线”，计算它们的交会点坐标，就是采样点的空间坐标。人类视觉系统对于深度的感知就部分地基于这 一原理。 立体视觉算法一般包括五个部分：1、相机模型；2、特征提取；3、特征匹配；4、视差和深度计算；5、 深度信息内插。 这种方法对应用场合要求较宽松，一次能获得一块区域的三维信息，特别是具有不受物体表面反射特性 影响的优点。但其中的对应点的匹配问题较难解决，算法复杂，耗时较长。同时在物体形状复杂，基线距离 较长时，会因各种遮挡而影响结果。在物体表面特征点较稀疏时，也很难获得精确的形状。 为了避免双目视觉中两幅图象匹配时的多义性问题，发展了三眼视觉甚至多目视觉方法。这样可以大大 减少对应点的搜索时间，简化匹配问题。同时使得遮挡问题处理起来较容易。