常用的三维信息获取技术

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1、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。早期的作法：接触测量早期用于三维测量的是坐标测量机（Coor

2、dinateMeasureMachine,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

3、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。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

4、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。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。这种方法不涉及图

5、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。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

6、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。基于计算机视觉理论，先后提出了单目视觉法（包括Shapefromshading，ShapefromTexture，Shapefromgradient，Shapefromfocussing等

7、）、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。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

8、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