三维测量技术综述

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1、基于工业摄影与机器视觉的三维测量技术综述摄影测量(Photogrammetry)S-门通过分析记录在胶片或电子载体上的影像来定被测物体的位置、形状和大小的科学，屈丁•测绘学的分支学科。它包括航空摄测量、航天摄影测量和近景摄影测量等。其中，近景摄影测量是指测量范围小于100米，相机布设在物体附近的摄影测量。近年來，随着微电子和半导体技术的飞速发展，尤其是固体阵相机和计算机硬件的发展，使得工业摄影测量已进入全数字近景摄影测量时代。同时，随着机器视觉理论的迅速发展，机器视觉也逐渐发展成一门由计算机技术、控制理论、人工智能和模式识别等众多领域交叉综合的新学科。1•三维形貌与变形测量技术

2、简介光学三维形貌与变形测量技术经过近年来的快速发展，涌现出多种技术及方法。其屮主要冇：时间飞行法、全息干涉法、莫尔条纹法、结构光方法(点、线、面)、数字摄影测量法和数字图像相关法等，下面介绍几种常用的三维测量方法，并分析在这些方面的研究发展情况。1)时间飞行法时间飞行法(TimeofFlight)基于三维形貌对激光束产生的时间调制。原理如图1所示。激光脉冲信号从发射器发出，经待测物体表而反射后，沿近乎相同的路径反向传回接收器，检测激光脉冲从发出到接收时刻Z间的时间羌，就可以计算出距离。结合扫描装置使激光脉冲扫描整个物体就可以得到三维形貌数据。脉冲信号被测物激光扫描器回波信号图1

3、吋间飞行法原理图时间飞行法的分辨率约为1mmo若采用亚皮秒激光脉冲和高分辨率的电子器件，深度分辨率可达亚毫米级。采用时间相干的单光了计数法，测量lm距离，深度分辨率可达30um;另一种称之为飞行光全息技术的测量方法利用超短光脉冲结合数字重建，深度分辨率可达6.5nm,这种方法的优点是不存在阴影和遮挡问题。但是要得到较高的测量精度，对信号处理系统的时间分辨率有较高的要求。2）全息干涉法全息干涉法测量技术利用光的相干性原理，如图2所示，当两束相干性好的光束在被测物体表面相遇时，其光波发生干涉，形成的干涉条纹反映了物体的形貌信息。记录这些条纹，测量出相位差，再将相位信息转换为物体的表

4、面形貌信息。光源反光镜CCD图2全息干涉法原理图全息干涉法在20世纪70年代得到快速发展，成为光学三维测量技术的一个重要分支。由于全息干涉法采用干板作为记录介质，干板曝光后需要化学处理，过程十分繁琐，因此限制了它的应用范围。数字全息技术是利用数字光学器件取代传统光学全息屮的干板来记录全息图，重建过程全部在计算机中完成，因此数字全息不仅继承了传统光学全息的特点，而且还具冇以下优点：无需干板化学处理，记录过程和处理过程大大简化，再现过程全部由计算机完成，可以实吋地进行图像获取和处理，便于实现自动化测量；采用CCD记录一帧图像仅几十毫秒，比干板曝光时间低两个数量级，因而系统的抗震性要

5、求大大降低；数值重建既能得到重建光波的强度分布，也能获取重建光波的相位信息，数字全息干涉测量技术可以精确测定亚条纹及其变形量，测量精度得到提高。由于相位的变化正比于光波的光程差，所以全息干涉法的测量分辨率可以达到光波的百分之一，但需要相干性较好的光源和精确的干涉光路。外差全息干涉法能得到较高的测量精度，但测量速度极慢，并且系统成本昂贵。准外差方法的测量精度比外差方法低一个数量级，但其光路比较简单，测量速度相对较快。全息干涉法主要应用于形貌分析、微小粒子检测、微小形变、微结构、微缺陷的检测，被测表面必须是平滑而缓变的。3）莫尔条纹法莫尔条纹法作为三维形貌测量的重要技术，起源于上世

6、纪70年代。1970年英国的D.M.Meadows等人提岀了应用一块光栅的照射型莫尔形貌法。之后，19力年M・Idesawa等人提出了激光扫描型莫尔形貌测量方法。自此，莫尔三维形貌测量成为了莫尔技术的重要研究领域。莫尔条纹法的原理是用一块基准光栅，来检测由被测表而调制的影栅，进而由莫尔条纹的分布情况推算被测物体的表面形貌。从基本原理出发，出现了两类不同布局的莫尔形貌装置，其中一类是将基准光栅照射到物体表面，在物体表面形成阴影光栅，然后透过整形光栅进行观察，这就是照射型莫尔法。照射型莫尔形貌可称为阴影莫尔形貌，莫尔条纹是由基准光栅和物体表面所调制的、带有物体相位信息的变形光栅叠加

7、而成。照射型莫尔形貌的测量装置简单、廉价，被测物前必须放置一块基准光栅。被测物不大时是可行的，但物体较大时就需要更大的光栅，大尺寸光栅加工困难。测量精度取决于基准光栅的栅距，但制造大尺寸小栅距的光栅是较为困难的。随着栅距的减小衍射效应就变得更加显著，很难获得更高的测量精度。另一类是投影型莫尔，它的投影侧类似于幻灯装置。用以在被测物体上投射光栅而接收端是一架摄像机，它将空间光栅成像在基准光栅表而上，丁•是形成莫尔条纹图投影型莫尔形貌测量的主要特点是：通过投影镜头的放大率來改变基准光栅的成像尺寸