光学三维测量技术与应用

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1、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

2、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，Web3D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（Opt

3、iaclThree-dimensionalMeasurementTechniques）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

4、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（ContactMethod）与非接触式测量(Non-contactMethod)，具体分类如图1所示[3]。DataacquisitionmethodContactmethodRoboticarmsCMMSNon-contactmethodOpticalAcousticMagneticTomography图

5、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（CoordinateMeasuringMachine，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

6、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。非接触式三维形状测量技术微波技术λ=3~30mm(10~100GHz)光波技术λ=0.5~1μm(300~600THz)超声波技术λ=0

7、.1~1mm(0.3~3MHz)三角法基于几何角度测量的深度探测干涉法基于相干光的飞行时间进行深度探测间进行深度探测飞行时间法基于非相干光的飞行时间调制的深度测量时间调制的深度测量图2非接触式三维测量技术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，globalpositioningsystem，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（AiryPattern）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

8、波长的限制