光学三维测量

光学三维测量制作人：王召慧光学测量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。光学三维测量随着现代检测技术的进步，三维测量技术逐步成为人们的研究重点，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，使得光学式三维测量技术得到广泛的应用。光学三维测量光学三维测量方法相移测量法傅里叶轮廓术相位测量轮廓术表面三维形貌测量三维形面测量方法又称为三维轮廓测量术、三维面形测量等，其目的都是通过测量复原物体的三维外形。按照测量物体的尺度大小可分为宏观物体三维形貌测量、细观形貌测量和微观形貌测量。按照一次测量取得的数据量可分为点扫描式、线扫描式及面测量。表面三维形貌测量表面三维形貌测量可分为接触式和非接触式两类，具体分类如图1.1所示光学三维测量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。非接触式测量技术基于光学原理，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。光学三维测量接触式测量的优缺点。接触式测量的优点：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。接触式测量的缺点：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。光学三维测量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，光学三维测量技术的应用光学非接触式三维形面测量技术正由于其非接触、高效率、精度较高等优点，被广泛应用于电子、汽车、纺织、机械加工等现代工业中，此外，在生物医学、人体测量学等方面也有广泛的应用。非接触式光学形面测量技术的几个主要应用:1）自动加工和质量控制2）磨具CAD(计算机辅助设计）/CAM3）机器人视觉4）医疗应用光学非接触式三维测量技术光学式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：被动式与主动式两大类。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。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。被动式光学三维测量技术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。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。主动式光学三维测量技术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。相移测量法在主动式光学三维测量技术中相移测量法比较常用。相移测量法是一种重要的三维测量方法，它采用正弦光栅投影和相移技术，投影在物体上的光栅，根据物体的高度而产生变形，变形的光栅图像叫做条纹图，它包含了三维信息。变形光栅的光强一般形式为:I1(x，y)=I0[(l+γ(x，y)cos(φ(x，y)+δk)]式中I1(x，y)为物体(x，y)点上的光强;I0(x，y）为背景光强;γ(x，y)为调制度;δk为相移量(k=1，2，3，…);φ(x，y)为相位，它是物体形状h(x，y)的函数。相移法有多种方案，出现较早的N步法将投影到物体表面的正弦光栅条纹移动N次，每次移动的相位值为2π/(N+l)，从而得到N+1幅图像。除此之外还有N段积分法、N+1步法、最小二乘法、Carre相移法等。相移测量法相移法的优点是一种在时间轴上的逐点运算，不会造成全面影响，计算量少。另外，这种方法具有一定抗静态噪声的能力。缺点是不能消除条纹中高频噪声引起的误差。在传统相移系统中，精确移动光栅的需要增加了系统的复杂性。而在数字相移系统中，用软件控制精确的实现相位移动。某些应用场合不允测量多幅图像，但只要没有以上限制，相移法仍是首选。相移测量法存在的问题相移测量法研究焦点在于不断提高测量的空间分辨率及测量精度、扩大物体的横向及纵向测量范围。目前，相移测量法仍存在以下几个问题:1）阴影和盲区问题相移测量法的测量受被测物表面散射特性的限制，必须满足“光线所及（光线能照到)和视线所及(能被观察到)”两个条件，对于光线不可及或视线不可及的地方，形状测量则无法实现，出现阴影和盲区问题。2）表面不连续问题当表面不连续时，条纹相对级次不确定，就会造成解调相位不准确。相移测量法存在的问题3）图像的预处理4）相位去包裹通过相移法求得的相位值都是折叠在-π~+π的主值区间，必须对相位进行去包裹(Phaseunwrpping)处理，正确地恢复出被折叠的2nπ才能求得真实的相位值。5)大曲面的测量6系统的测量精度由于测量系统的像差效应、透镜的畸变效应、CCD的非线性效应及图像采集板的量化效应等，都会给相移测量法带来很复杂的非线性系统误差，这些因素都降低了相移测量法的测量精度。数字相移条纹投影技术基于数字相移条纹投影技术的三维测量法是三维非接触测量技术的一个比较活跃的分支。它的基本原理是用计算机产生正弦投影条纹，经数字投影仪投射到物体表面，条纹经物体表面调制产生变形，用CCD摄像机将变形条纹拍摄下来，再利用计算机进行相位场提取、相位去包裹，得到绝对相位值，最后经系统标定、坐标变换可得物体表面的三维数据。数字相移条纹投影技术根据摄像机光轴和投影仪光轴的空间位置将系统分为相交轴系统和平行轴系统。为了最具一般性，以相交轴系统为例，分析基于数字相移条纹投影技术的三维测量系统的结构和基本原理，硬件系统结构简图如图所示。数字相移条纹投影技术相移测量方法中，由系统标定得到的系统结构参数可以建立被测物体表面三维坐标与连续相位场之间的关系，即物相关系，从而得到物体表面的三维坐标。软件系统组成：投影条纹法投影条纹法具有测量速度快、易自动化、柔性好、全场测量的特点，己成为国内外三维形貌测量技术研究发展的重点。它通过改变光束(或光面)的几何(或光学)特性及投影角度，从而得到不同的图像，使得其测量精度较高、适用范围广泛。同时，图像处理技术、计算机技术及CCD等电子产品的发展促进了投影测量方法的发展，使得投影测量方法更容易实现。常见的投影条纹法有傅里叶轮廓术和位相测量轮廓术。傅里叶轮廓术傅里叶轮廓术（FTP)相当于在把对空间信息的处理转化为对频率的处理。其基本原理是投影条纹于物体表面，摄像机摄取变形的条纹图，对条纹图进行傅里叶变换、滤波、逆傅里叶变换的步骤提取条纹相位信息。条纹的相位信息中包含了物体的形貌信息。傅里叶变换轮廓术具有全场、快速的特点，且能自动判定物体的凸凹，无需指定条纹级次和采用插值运算就能获得物体的高度分布，在实时和动态三维面形测量领域具有广泛的应用前景。傅里叶轮廓术但是目前FTP的测量精度精度还不够高，在实际应用中还存在若干困难，比如不完善相位图无法展开的问题，频谱混叠的影响等。未来的研究重点是进一步提高FTP的测量精度，克服频谱混叠，不断优化频域滤波和相位展开算法，尽量减少测量过程中外界各种因素的干扰，以满足相关领域对三维面形数据快速、自动、实时获取的要求。傅里叶轮廓术实际上，傅里叶变换光学可借鉴通信原理中的调制与解调的概念加以理解，故FTP的工作原理大致可描述为:1）投影在被测物体三维面形(调制信号)表面的光栅结构光场(载波信号)受到调制得到连续分布的变形结构光场(已调信号)，光栅结构光场的相位因此也受到物体三维面形高度分布的调制2)对连续分布的变形结构光场(己调信号)进行摄取(抽样)，获得离散信息送计算机处理，经过离散傅里叶变换、频域滤波、逆傅里叶变换，计算出变形结构光场的相位信息3)根据相位与高度分布之间的映射关系，重建被测物体的三维面形。相位测量轮廓术相位测量轮廓术(PMP)是以测量投影到物体上的变形条纹像的相位为基础，通过相位与高度的映射关系得到被测物体的三维形貌。基本思想：基本思想就是通过多幅相互间有一定相位差的条纹图来计算出相位，再按照相应的相位展开算法就可以精确地得到物体三维面形数据。相位测量轮廓术优点：采用了正弦光栅投影和相移技术，能以较低廉的光学、电子和数字硬件设备为基础，以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据。位相测量轮廓术中相位的测量常用相移法。相位测量轮廓术相移技术的优点是对相位测量的精度可以达到几十分之一到几百分之一个等效波长。PMP不受物体表面反射率的影响，某点的相位值仅与该点的光强值有关，从而避免了由于物面反射率不均匀引起的误差，对条纹背景、对比度和噪声的影响也不敏感。相移技术的缺点：相移不准和光场的非正弦性引入的高次谐波是两个主要的测量误差源。谢谢观赏！