三维技术基础与艺术欣赏第2章三维测量技术(陈永强)

三维技术基础与艺术欣赏陈永强教授数学与计算机学院E-mail:[e-mail]:153371857851教学内容及目标•主要讲解三维测量、三维静态建模、三维动态仿真、三维重建、三维显示、三维打印、三维动画、三维游戏、三维影视等基本原理和技术；•引导学生科学鉴赏三维图形图像、三维动画游戏和三维电影艺术；•了解和熟悉三维领域涉及的基本概念和思维方式，了解三维技术最新发展和动态，能更好适应现代三维科技时代的学习工作生活。2教学内容•第1章三维技术概述•第2章三维测量技术•第3章三维建模技术•第4章三维重建技术•第5章三维显示技术•第6章三维打印技术•第7章三维动画技术•第8章三维游戏技术•第9章三维影视技术3第2章三维测量技术•3D测量技术如何获取这些物体的三维信息呢？这就涉及到三维测量技术。随着科技的发展，各种技术不断涌现，并且在很多的领域得到应用。4第2章三维测量技术•分类物体三维形状测量接触式测量非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，CoordinateMeasuringMachine)。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。5第2章三维测量技术•分类接触式测量非接触式测量坐标测量机光学方法非光学方法主动式被动式激光扫描法激光测距法相位测量法数字全息法单目视觉法CT、STM、AFM双目视觉法6第2章三维测量技术•分类三维测量技术大体分为接触式与非接触式两类。接触式测量基本上在坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine，CMM)上进行。坐标测量机是一种大型精密的三坐标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量。非接触式测量基于光学原理，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。7第2章三维测量技术•接触式测量的优缺点优点：接触式测量中广泛使用的是三坐标测量仪，其测量范围大、分辨率高、结果稳定可靠、重复性好。缺点：因其属于点扫描测量方式，所以测量速度慢。此外，由于采用接触测量，在测量过程中可能损伤被测表面，因此不能测量弹性或脆性材料。8第2章三维测量技术•接触式测量9第2章三维测量技术•非接触式测量的特点非接触式测量中的代表是光学测量，由于不接触被测表面，在保护表面的同时也增加了测量速度，并以其高分辨率而倍受重视。该方法具有受环境电磁场影响小、工作距离大、测量精度高等特点。随着各种高性能器件如半导体激光器LD、电荷祸合器件CCD等的出现，光学非接触式测量应用将越来越广泛。10第2章三维测量技术•光学非接触式三维测量技术两大类：主动式与被动式。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。11第2章三维测量技术•主动式光学非接触测量技术大体上可分为：飞行时间法、主动三角法、莫尔轮廓术、傅里叶变换轮廓法、自动聚焦法、离焦法、全息干涉测量法、相移测量法等。目前主动式光学三维测量技术已经广泛用于工业检测、反求工程、生物医学、机器视觉等领域。三维高速度、高精度测量技术将随着测量方法的完善和信息获取与处理技术的改进而进一步发展，在新的更加广阔的研究和应用领域中发挥重要作用。12第2章三维测量技术•被动式光学非接触式三维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。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。13第2章三维测量技术•坐标测量机（CMM）坐标测量机是一种几何量测量仪器。基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精密地测出被测元素上测量点的X、Y、Z三个坐标值，根据这些点的数值经过计算机数据处理，拟合成相关几何元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算得出形状、位置公差及其它几何量数据。以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。14第2章三维测量技术•坐标测量机（CMM）15第2章三维测量技术•坐标测量机（CMM）16第2章三维测量技术•坐标测量机（CMM）德国Klocke公司的3D-Nanofinger是一款集纳米级三维坐标测量与表面形貌测量为一体的综合测量设备。测量范围：（可选）X=10,20,30或50mm；Y=10,20,30或50mm；Z=10或20mm；移动分辨率：1nm；移动速度：最快达到2mm/s；探针分辨率：0.5nm。17第2章三维测量技术•激光扫描法近年来随着激光技术的发展，激光三角形法（Laser-basedtriangulation）逐渐得到广泛应用。采用的光源主要有点结构、线结构和双线结构。它的基本原理是光学三角形原理。18第2章三维测量技术•激光三维扫描仪工作原理是使用激光三角测距原理，通过光源孔发射出一束水平的激光束来扫描物体。该激光线经过旋转平面镜的作用，改变角度，使得激光线发射到物体表面。物体表面反射激光束，每一条激光线都通过CCD传感器采集成一帧数据。根据物体表面不同的形状，每条激光线反射回来的信息中所包含表面形状和颜色数据。19第2章三维测量技术•激光三维扫描仪主要用途：工业设计中采集转换研究设计之物件的CAD。逆向工程：为原始部件实体，建立三维CAD数据；用于计算机辅助工程设计分析的三维形状捕捉获取（CAE和FEA）。医疗应用：医学外科规划（上颔面，牙齿等整形外科）矫正和修补术，塑料外科术运用，医学人体测量。数字化档案：博物馆，人工制品和古文物记录考古学，人类学研究。在线质量控制检查：用于生产线上产品的质量控制（例如CAI，CAT）；样品检查；工具和模具检查。20第2章三维测量技术•激光测距法基本原理是直接测量光束的传播时间。在测量时，目标脉冲经反射回到接收探测器，参考脉冲经光导纤维被探测器接收。这两个脉冲的时间差转换成距离。也称时间飞行法。21第2章三维测量技术•自动扫描激光测距仪主要技术指标：激光器：波长620nm~690nm出射功率：≤1mW工作距离：0~50m自动扫描范围：±6°~±90°测距精度：±5mm22第2章三维测量技术•相位测量法（PMP）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)。23第2章三维测量技术•数字全息法基本过程为：采用激光照射待测样品产生全息图，利用CCD记录全息图并以数字方式存入计算机，然后在计算机内模拟全息图的再现过程得到以层析方式显示的三维物场，进而对三维物场进行定量分析、测量和三维重构。24第2章三维测量技术•数字全息法25昆虫翅膀的再现像记录的数字全息图第2章三维测量技术•单目视觉法采用摄像机得到三维景物在光敏探测器上的二维透视图像，主要包括聚焦法和离焦法。离焦法原理图26第2章三维测量技术•双目视觉法基本原理如图所示，P为空间任意一点，p1、p2分别为P点在摄像机C1、C2上的成像点，通过立体视觉计算即可由像点p1、p2的坐标(ui,vi)(i=1,2)重建点P的三维坐标(X,Y,Z)。在这个重建的过程中，要解决图像特征点的提取与匹配、摄像机标定和三维重建三个基本问题。Pp1O1C1p2C2O2ZXYOu2v2u1v127第2章三维测量技术•双目视觉法主要由以下三部分组成：*摄像机模型的建立和标定*立体匹配*三维重建28第2章三维测量技术•电子计算机断层扫描（CT）是依据辐射在被检测物体中的减弱和吸收特性。同物质对辐射的吸收本领与物质性质有关。利用放射性核素或其他辐射源发射出的、具有一定能量和强度的X射线或γ射线，在被检测物体中的衰减规律及分布情况，就有可能由探测器陈列获得物体内部的详细信息，最后用计算机信息处理和图像重建技术，以图像形式显示出来。29第2章三维测量技术•电子计算机断层扫描（CT）能准确快速地再现物体内部的三维立体结构，能够定量地提供物体内部的物理、力学等特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平、异型结构的型状及精确尺寸，物体内部的杂质及分布等。30第2章三维测量技术•扫描隧道显微镜（STM)1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（ScanningTunnellingMicro－scoPe，简称STM）。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。31第2章三维测量技术•扫描隧道显微镜（STM)32第2章三维测量技术•扫描隧道显微镜（STM)根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。33第2章三维测量技术•扫描隧道显微镜（STM)根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流I。34第2章三维测量技术•扫描隧道显微镜（STM)35高序热解石墨的结构图像第2章三维测量技术•扫描隧道显微镜（STM)36第2章三维测量技术•扫描隧道显微镜（STM)37这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。第2章三维测量技术•原子力显微镜（AFM）AFM的基本结构与STM相似，差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（VanDerWaalsForce）作用来呈现样品的表面特性。38第2章三维测量技术•原子力显微镜（AFM）在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contactAFM），探针与试片的距离约数个Å。（2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contactAFM），探针与试片的距离约数十到数百Å。39第2章三维测量技术•应用领域计算机辅助设计与制造（CAD/CAM)（如服装设计、工业检测等）逆向工程（RE）快速原型（RP）及虚拟现实（VR）(如自动导航，计算三维动画模拟等）医学（CT、MRI等）40第2章三维测量技术•应用领域-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，3D光学数字化系统与CAD/CAM/CAE以及RP&M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。41第2章三维测量技术•应用领域-逆向工程42第2章三维测量技术•应用领域-逆向工程