國(guó)內(nèi)外三維視覺測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1相關(guān)技術(shù)綜述

二維視覺測(cè)量采用單攝像機(jī)測(cè)量目標(biāo)在特定平面中的位置，如美國(guó)的Adept機(jī)器人裝配系統(tǒng)、足球機(jī)器人等。在二維視覺測(cè)量中，攝像機(jī)與測(cè)量平面之間的距離固定，這使得其應(yīng)用受到很大的限制[1]。

與二維圖像信息相比，三維信息能夠更全面、真實(shí)地反映客觀物體，提供更大的信息量。近年來，各種技術(shù)應(yīng)用于三維信息測(cè)量中，由此形成了各類三維測(cè)量系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年發(fā)展，三維視覺測(cè)量系統(tǒng)已具有較成熟的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，生產(chǎn)實(shí)踐也不斷證明這類系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高[2]。

從狹義上講，三維視覺測(cè)量技術(shù)即通過計(jì)算機(jī)分析處理，讓計(jì)算機(jī)不僅具有和人眼一樣的視覺感受，而且能夠獲得人眼所不能直接獲得的經(jīng)過量化的物體參數(shù)。

獲取空間三維物體的距離信息是三維成像、三維物體重建和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的內(nèi)容，有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。進(jìn)入二十世紀(jì)90年代以來，各種硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展使得人們不僅能處理二維圖像而且開始處理三維圖像，許多能獲取三維圖像的設(shè)備和處理分析三維圖像的系統(tǒng)研制成功，大大擴(kuò)展了人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)[3]。光學(xué)三維形貌測(cè)量具有非接觸、高精度、高效率的特點(diǎn)，并且在科研、醫(yī)學(xué)診斷、工程設(shè)計(jì)、刑事偵查現(xiàn)場(chǎng)痕跡分析、自動(dòng)在線檢測(cè)、質(zhì)量控制、機(jī)器人及許多生產(chǎn)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。為此，國(guó)際光學(xué)學(xué)會(huì)在1994年以信息光學(xué)的前沿為主題的年會(huì)上，首次將光學(xué)三維測(cè)量列為信息光學(xué)前沿的7個(gè)主要領(lǐng)域和方向之一[4]。

80年代初，Marr從信息處理的角度綜合了圖像處理、心理物理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)以及臨床病學(xué)的研究成果，提出了第一個(gè)較為完善的視覺系統(tǒng)框架，稱之為Marr視覺理論[3]。該理論從信息處理系統(tǒng)的角度出發(fā)，將系統(tǒng)的研究分為三個(gè)層次[3]：計(jì)算理論層次、表達(dá)與算法層次、硬件實(shí)現(xiàn)層次。

從視覺計(jì)算理論出發(fā)，將系統(tǒng)分為自下而上的三個(gè)階段[3]，即視覺信息從最初的原始數(shù)據(jù)（二維圖像數(shù)據(jù)）到最終對(duì)三維環(huán)境的表達(dá)經(jīng)歷了三個(gè)階段的處理。第一階段構(gòu)成所謂“要素圖”或“基元圖”，基元圖由二維圖像的邊緣點(diǎn)、直線段、曲線、頂點(diǎn)、紋理等基本幾何元素或者特征組成；第二階段，Marr稱為對(duì)環(huán)境的2.5維描述，這是一種形象的說法，意即部分的、不完整的三維信息描述，用“計(jì)算”的語言來講，就是重建三維物體在觀察者為中心的坐標(biāo)系下的三維形狀與位置；第三階段，即三維階段，是對(duì)物體的完整三維描述，即物體本身某一固定坐標(biāo)系下的描述。

從低層次的處理而言，我們最為關(guān)注的是圖像數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表達(dá)，即計(jì)算機(jī)如何理解和區(qū)分“景物”。在高層，我們希望能夠通過高性能的計(jì)算機(jī)，求解出人眼無法實(shí)現(xiàn)的功能，比如精確地識(shí)別、定位以及參數(shù)的測(cè)量等。

圖像的預(yù)處理：

圖像預(yù)處理是最低層的操作，輸入輸出都是亮度圖像，需要指出的是，圖像的預(yù)處理不會(huì)增加新的信息量[5]。主要的圖像預(yù)處理按照在計(jì)算新像素亮度時(shí)所使用的像素領(lǐng)域的大小分為四類：第一類：像素亮度變換；第二類：幾何變換；第三類：局部預(yù)處理方法；第四類：圖像復(fù)原技術(shù)。

圖像平滑是指用于突出圖像的寬大區(qū)域低頻成分、主干部分或抑制圖像噪聲和干擾高頻成分，使圖像亮度平緩漸變，減小突變梯度，改善圖像質(zhì)量的圖像處理方法。圖像平滑的方法包括[5]：插值法、線性平滑法、卷積法等。

平滑后的圖像需要進(jìn)行邊緣檢測(cè)[5]。兩個(gè)具有不同灰度值的相鄰區(qū)域之間總存在邊緣，邊緣是灰度值不連續(xù)的表現(xiàn)。由于邊緣是圖像上灰度變化最劇烈的地方，傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)即利用這一特點(diǎn)，對(duì)圖像各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行微分或求二階微分來確定邊緣像素點(diǎn)。常用的邊緣檢測(cè)模板有Canny算子、Laplacian算子、Roberts算子、Sobel算子，以及Laplacian of Gaussian（LoG）算子等[5]。

圖像分割[5]是對(duì)圖像預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之前，最重要的步驟之一，它的主要目標(biāo)是將圖像劃分為與其中含有的真實(shí)世界的物體或區(qū)域有強(qiáng)相關(guān)性的組成部分。通常，可將圖像分割分為三類：第一類，是有關(guān)圖像或圖像部分的全局知識(shí)，這種知識(shí)一般由圖像特征的直方圖來表達(dá)；第二類，是基于邊緣的分割；而第三類是基于區(qū)域的分割，在邊緣檢測(cè)或區(qū)域增長(zhǎng)中可以使用多種不同的特征，例如亮度、紋理、速度場(chǎng)等。

攝像機(jī)的標(biāo)定：

對(duì)于攝像機(jī)標(biāo)定，目前已經(jīng)提出了很多種方法，攝像機(jī)標(biāo)定的理論問題已得到較好的解決。對(duì)攝像機(jī)標(biāo)定的研究來說，工作集中在如何針對(duì)具體的實(shí)際應(yīng)用問題，采用特定的簡(jiǎn)便、實(shí)用、快速、準(zhǔn)確的標(biāo)定方法。

傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定起源于攝影探測(cè)學(xué)中的校正。在攝影測(cè)量學(xué)中所實(shí)用的方法是數(shù)學(xué)解析分析的方法，在標(biāo)定過程中通常要利用數(shù)學(xué)方法對(duì)從數(shù)字圖像中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過數(shù)學(xué)處理手段，攝像機(jī)標(biāo)定提供了專業(yè)測(cè)量攝像機(jī)與非量測(cè)攝像機(jī)的聯(lián)系。在1889年到1951年之間，發(fā)表了近百篇與相機(jī)校正有關(guān)的論文，Brown對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)并給出了文件列表[6]。

20世紀(jì)50年代到70年代是鏡頭校正技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期。在這期間，許多鏡頭像差的表達(dá)式陸續(xù)提出并被普遍認(rèn)同和采用，建立起了較多的鏡頭像差模型。這些模型是在原來攝像測(cè)量模型的基礎(chǔ)上增添了許多新的概念，如像元、像素、焦距、像元的傾斜等[7]。而從攝像機(jī)標(biāo)定的角度來看，傳統(tǒng)攝像機(jī)標(biāo)定的概念已經(jīng)比較成熟。傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定一般指利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參照物與其對(duì)應(yīng)圖像的約束關(guān)系，來確定攝像機(jī)模型的參數(shù)，可以通過一幅以上的圖像進(jìn)行標(biāo)定。如果不考慮鏡頭像差的影響，可以使用線性方法標(biāo)定，如直接線性變換法。但由于沒有考慮成像畸變因素，標(biāo)定精度較低。1966年，B.Hallert首次將最小二乘法用于對(duì)鏡頭標(biāo)定多余觀察數(shù)據(jù)的處理，并將其應(yīng)用在野外立體坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上，而得到高精度的測(cè)量結(jié)果。B.Hallert為非線性優(yōu)化在攝像機(jī)標(biāo)定中的應(yīng)用開啟了大門。到1975年，W. Faig考慮到攝像機(jī)成像過程中的各種因素，建立較為復(fù)雜的攝像機(jī)成像模型并用非線性優(yōu)化來求解。非線性優(yōu)化對(duì)提高攝像機(jī)標(biāo)定精度提供了一條很好的途徑，非常適合采用多參數(shù)的非線性畸變模型的標(biāo)定，在能提供較好初值、可以較快收斂，從而得到高精度優(yōu)化的結(jié)果。

傳統(tǒng)攝像機(jī)標(biāo)定方法總結(jié)：

1、TSAI的RAC標(biāo)定算法：

20世紀(jì)80年代中期Tsai提出的基于RAC的定標(biāo)方法[8,9]是計(jì)算機(jī)視覺相機(jī)標(biāo)定方面的一項(xiàng)重要工作，該方法的核心是利用徑向一致約束來求解除像機(jī)光軸方向的平移外的其它像機(jī)外參數(shù)，然后再求解像機(jī)的其它參數(shù)。基于RAC方法的最大好處是它所使用的大部分方程是線性方程，從而降低了參數(shù)求解的復(fù)雜性，因此其定標(biāo)過程快捷、準(zhǔn)確。

2、張正友的平面標(biāo)定方法：

張正友等人基于2D平面靶標(biāo)提出了攝像機(jī)的三維標(biāo)定方法。在該方法中，要求攝像機(jī)在兩個(gè)以上不同方位拍攝一個(gè)平面靶標(biāo)，攝像機(jī)和2D靶標(biāo)都可以自由移動(dòng)，不需要知道運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在標(biāo)定過程中，假定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)始終不變即不論攝像機(jī)從任何角度拍攝靶標(biāo)，攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)都為常數(shù)，只有外部參數(shù)發(fā)生變化。張正友標(biāo)定法是目前使用最為廣泛的方法。

3、攝像機(jī)自標(biāo)定方法：

自標(biāo)定方法是20世紀(jì)90年代中后期在機(jī)器視覺領(lǐng)域中最重要的研究方向之一。它是指不使用標(biāo)定塊，僅僅通過圖像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系而進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定的方法。自從1992年R.L.Hartley和O.D.Faugeras提出自標(biāo)定的思想以后，自標(biāo)定方法成為了計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題之一。近年來在國(guó)際計(jì)算機(jī)視覺會(huì)議（ICCV）、歐洲計(jì)算機(jī)視覺會(huì)議（ECCV）、計(jì)算機(jī)視覺和模式識(shí)別會(huì)議（CVPR）、國(guó)際模式識(shí)別會(huì)議（ICPR）及相關(guān)領(lǐng)域的重要會(huì)議雜志上大量與自標(biāo)定技術(shù)相關(guān)內(nèi)容文章的問世說明了這一點(diǎn)。大體來講，攝像機(jī)自標(biāo)定主要分為兩類：基于Kruppa方程的自標(biāo)定方法和基于絕對(duì)二次曲面的方法。

三維形貌測(cè)量方法：

三維形貌測(cè)量的方法從測(cè)量方式上可分為接觸式和非接觸式。

傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法發(fā)展已有幾十年歷史，其機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM, Coordinate Measuring Machine）和接觸式粗糙度輪廓儀是接觸式三維測(cè)量的典型代表，其原理是用采樣頭的探針接觸模型表面，采集一個(gè)輪廓點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后橫向移動(dòng)一個(gè)間距，采集相鄰的輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后構(gòu)筑整個(gè)表面的線框模型。接觸式測(cè)量方法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，但也存在以下缺點(diǎn)[11]：

（1）測(cè)量時(shí)測(cè)量頭與被測(cè)物之間有接觸壓力，它不適合測(cè)量柔性物體，而且對(duì)測(cè)量頭無法觸及的表面沒有很好的測(cè)量效果；另外不當(dāng)?shù)牟僮魅菀讚p傷被測(cè)物體的表面，特別是高精度表面，同時(shí)也會(huì)使測(cè)量頭磨損。

（2）測(cè)量頭本身的半徑以及接觸測(cè)量時(shí)被測(cè)物體受到測(cè)量頭擠壓發(fā)生局部形變會(huì)影響測(cè)量的精度。

（3）接觸式測(cè)量是以逐點(diǎn)掃描的方式進(jìn)行測(cè)量的，所以測(cè)量速度慢，尤其在測(cè)量較大物體時(shí)，非常耗時(shí)。

（4）由于測(cè)量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)工作環(huán)境要求很高，必須防震、防灰、恒溫等，使其應(yīng)用范圍收到一些限制。

盡管世界各國(guó)生產(chǎn)廠家都試圖用各種高新技術(shù)來改變這一現(xiàn)狀，但至今都未能從根本上解決測(cè)量機(jī)原理本身所造成的結(jié)構(gòu)龐大和復(fù)雜的不足，難以滿足當(dāng)今高效率、高精度測(cè)量的需求。

非接觸測(cè)量方法[12,13]主要是指光學(xué)測(cè)量方法。隨著光電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型器件不斷出現(xiàn)，如電荷耦合器件（CCD, Charge Coupled Device）、數(shù)字投影儀（DLP, Digital Light Processing）等。非接觸式光學(xué)測(cè)量技術(shù)得到快速發(fā)展，并開始在一些領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。非接觸式光學(xué)測(cè)量方法由于其高靈敏度、高速度、無損壞、獲取數(shù)據(jù)多等優(yōu)點(diǎn)而被公認(rèn)為最有前途的三維面形測(cè)量方法。

目前，光學(xué)三維視覺測(cè)量方法的種類主要分為：攝影測(cè)量法、飛行時(shí)間法、三角法、投影條紋法、成像面定位法、干涉測(cè)量法等。而獲取宏觀物體的三維信息的基本方法可以分成兩大類[11]：被動(dòng)三維傳感和主動(dòng)三維傳感。被動(dòng)三維傳感采用非結(jié)構(gòu)光（自然光）照明方式，從一個(gè)或多個(gè)攝像系統(tǒng)獲取的二維圖像中確定的距離信息，形成三維面形數(shù)據(jù)。被動(dòng)三維傳感需要進(jìn)行大量的相關(guān)匹配運(yùn)算，當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)信息過于簡(jiǎn)單或過于復(fù)雜，或者被測(cè)物體上各點(diǎn)的反射率沒有明顯差異時(shí)，這種相關(guān)匹配運(yùn)算將變得十分復(fù)雜和困難。主動(dòng)三維傳感啟用結(jié)構(gòu)光照明方式，這是由于物體三維表面對(duì)結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的空間或時(shí)間調(diào)制，觀察到的變形廣場(chǎng)包含了物體三維面形的信息，對(duì)變形廣場(chǎng)進(jìn)行解調(diào)，便可以獲得三維面形數(shù)據(jù)。主動(dòng)三維傳感具有非接觸、高自動(dòng)化、高靈敏度、高精度等優(yōu)點(diǎn)，因此，大多數(shù)以三維精細(xì)面形測(cè)量為目的的系統(tǒng)都采用主動(dòng)三維傳感方式。

根據(jù)物體三維表面對(duì)結(jié)構(gòu)照明光場(chǎng)調(diào)制方式的不同，人們又將主動(dòng)三維傳感方法分為時(shí)間調(diào)制與空間調(diào)制兩類。其中更為常用的是空間調(diào)制方法，根據(jù)測(cè)量原理的不同，空間調(diào)制又可以分為兩類：直接三角法和相位測(cè)量法。直接三角法輪廓測(cè)量是以純粹的三角測(cè)量原理為基礎(chǔ)，通過出射點(diǎn)、投影點(diǎn)和成像點(diǎn)三者之間的幾何成像關(guān)系確定物體各點(diǎn)高度。直接三角法的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)處理簡(jiǎn)單可靠，無需復(fù)雜的條紋分析就能唯一確定各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的絕對(duì)高度信息，自動(dòng)分辨物體凹凸，即使物體上的物理斷點(diǎn)（臺(tái)階、裂縫）、陰影等使圖樣不連續(xù)的缺陷也不會(huì)影響測(cè)量；缺點(diǎn)是精度不高，不能實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量。而近幾年來興起的相位測(cè)量法是采用面結(jié)構(gòu)光照明的三角光路測(cè)量法，這類方法首先將規(guī)則的光柵條紋圖像投影到被測(cè)物表面，從另一角度看，可以觀察到由于受物體高度的影響而發(fā)生變形的條紋。這種變形可解釋為相位和振幅均為被調(diào)制的空間載波信號(hào)。采集變形條紋并從被調(diào)制的結(jié)構(gòu)光場(chǎng)中提取所需的相位信息，然后再根據(jù)高度與相位的映射關(guān)系計(jì)算出被測(cè)物體的三維面形信息。相位測(cè)量法采用面結(jié)構(gòu)光進(jìn)行投影，不需要對(duì)物體掃描就可以得到物體面形的三維信息，具有全場(chǎng)測(cè)量、高速測(cè)量的特點(diǎn)。但是由于求解相位時(shí)用到了反三角函數(shù)運(yùn)算，相位截?cái)嘣谌呛瘮?shù)的主值范圍內(nèi)，因此還需要進(jìn)行相位展開才能得到被測(cè)物體真實(shí)的相位分布。

1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1、線結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域：

目前市場(chǎng)上線結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量系統(tǒng)比較知名的品牌有英國(guó)的3D Scanners公司、德國(guó)的Leica公司、法國(guó)的Kreon公司、瑞士的Tesa公司、比利時(shí)的Metris公司、美國(guó)的Perceptron公司等，其中英國(guó)的3D Scanner公司是世界上最早開發(fā)三維激光系統(tǒng)的公司[14]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在視覺測(cè)量方面也做了大量的研究。Boyer和Kak提出彩色編碼結(jié)構(gòu)光主動(dòng)三維測(cè)量法[15]。Pancewicz將提出的基于光紋投影應(yīng)用于CAD/CAM/CAE的物體三維建模算法[16]。德國(guó)GOM公司的Atos系列流動(dòng)式光學(xué)掃描儀，利用視覺測(cè)量定位技術(shù)和物理光柵進(jìn)行投影，精度可達(dá)0.02 mm，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同視角點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。英國(guó)的3D Scanners公司開發(fā)了Reversa型激光測(cè)頭，采用單線結(jié)構(gòu)光雙目視覺原理實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量，每秒采樣點(diǎn)可達(dá)1-1.5萬個(gè)，深度測(cè)量精度為0.01 mm。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也將基于線結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理的許多研究成果應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。清華大學(xué)的羅先波等人開發(fā)的一種基于線結(jié)構(gòu)光原理的多用途傳感器技術(shù)，可對(duì)腐蝕性物體表面和移動(dòng)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)和非接觸三維測(cè)量，且重建結(jié)果具有較高的精確度。北京航空航天大學(xué)研究所設(shè)計(jì)的按照徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理而發(fā)明的結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測(cè)方法，不用考慮光學(xué)調(diào)整誤差、視覺模型誤差等相關(guān)因素對(duì)視覺檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度所造成的誤差，可以較好克服利用一般建模方法所存在的缺陷和不足，同時(shí)還能提高視覺測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。武漢大學(xué)的鄭莉等人推到了像點(diǎn)到物方空間三維點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，主要應(yīng)用與不規(guī)則鏡面物體的三維重建技術(shù)。該方法集成了傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，且具有靈活性以及無需匹配同名點(diǎn)。

2、單目視覺測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀：

由于采用測(cè)棒測(cè)量方式，克服了傳統(tǒng)的視覺坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)直接從被測(cè)表面獲取被測(cè)信息的缺點(diǎn)，改變了以往的由于被測(cè)表面形狀復(fù)雜而使應(yīng)用受到限制的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)遮擋點(diǎn)及高光點(diǎn)的測(cè)量，所以該方法得到了廣泛的研究。國(guó)外在這方面的研究起步比較早，已開發(fā)出成熟產(chǎn)品，如Metronor公司的SCS系統(tǒng)、Lecia公司的V-STARS/S系統(tǒng)和Aicon公司的ProCam系統(tǒng)。

Metronor公司的SCS系統(tǒng)由數(shù)碼傳感器、專利光筆、測(cè)頭、筆記本電腦及三腳架等組成。它以光學(xué)測(cè)頭上的紅外發(fā)光二極管作為成像目標(biāo)，由攝像機(jī)獲取的單幅圖像實(shí)現(xiàn)單機(jī)視覺測(cè)量，其測(cè)量范圍為1.5~10m，分辨率為0.001 mm，長(zhǎng)度測(cè)量三軸精度指標(biāo)：±0.035 mm，±0.090 mm，±0.188 mm。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧，使用快捷方便，并且精度高、測(cè)量空間大，具有進(jìn)行CAD對(duì)比測(cè)量、LED補(bǔ)償、最佳匹配等功能，可用于汽車、航空、造船及鑄造領(lǐng)域中各種大、小部件的測(cè)量，能輕松測(cè)量不同尺寸的部件，包括：點(diǎn)、線、平面、圓孔、圓柱、圓錐等幾何元素，同時(shí)也可滿足曲面、邊界、槽等測(cè)量。

瑞士 Leica 公司和美國(guó) GSI 公司聯(lián)合推出了系列 V-STARS 系統(tǒng)(攝像-STARS 系統(tǒng))。V-STARS 系統(tǒng)是一種基于高分辨率、高精度的固態(tài)影像傳感器的視頻攝影測(cè)量系統(tǒng)，由一臺(tái)高性能像機(jī)、手提電腦、V-STARS 軟件及測(cè)棒等一些附件構(gòu)成。V-STARS/S 系統(tǒng)以測(cè)棒上的反射特征點(diǎn)作為成像目標(biāo)，通過激光跟蹤方法確定深度信息，實(shí)現(xiàn)單機(jī)視覺測(cè)量。該系統(tǒng)精度高，可達(dá)被測(cè)物體尺寸的。若物體長(zhǎng) 6 m 時(shí)，精度為±（0.025~0.075）mm；速度快，能在十分鐘乃至數(shù)分鐘內(nèi)完成復(fù)雜工業(yè)目標(biāo)的全部測(cè)量；體積??；軟件功能強(qiáng)大；自動(dòng)化程度高；廣泛地應(yīng)用于國(guó)外航空航天、造船、天線制造、核工業(yè)、汽車等行業(yè)。

Aicon 公司的 ProCam 系統(tǒng)，它與上述兩種系統(tǒng)不同，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)設(shè)置在沿軌道滑動(dòng)的移動(dòng)測(cè)頭上，以固定在攝像機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)合適位置的目標(biāo)模板作為空間特征點(diǎn)約束，從而得到測(cè)頭上的觸測(cè)點(diǎn)相對(duì)于模板坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的測(cè)量。

國(guó)內(nèi)在這方面的研究相對(duì)起步較晚，還處于理論探索階段，目前還沒有開發(fā)出成型產(chǎn)品。哈爾濱工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與質(zhì)量工程研究所是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行這方面研究的單位，對(duì)基于測(cè)棒成像的單目視覺坐標(biāo)測(cè)量方法進(jìn)行了研究，并在1998年研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。另外，天津大學(xué)的精儀學(xué)院和上海大學(xué)等院校也正在進(jìn)行該方面的研究工作。

3、雙目視覺系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀：

雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)大致分為三種類型：1）利用單臺(tái)或兩臺(tái)攝像機(jī)和激光掃描或LCD編碼光投影的三角測(cè)量方法，如GOM公司的ATOS三維數(shù)字化測(cè)量?jī)x，主要用于自由曲面測(cè)量；2）利用兩臺(tái)外部方位固定的攝像機(jī)構(gòu)成的被動(dòng)式立體視覺測(cè)量系統(tǒng)或附加投影的主動(dòng)式立體視覺測(cè)量系統(tǒng)，由于像機(jī)預(yù)先安置在固定支架上，在實(shí)驗(yàn)室中完成外參校準(zhǔn)工作，所以限制了系統(tǒng)使用的靈活性，不能根據(jù)不同的測(cè)量體進(jìn)行調(diào)整，限制了測(cè)量范圍，難以滿足大型構(gòu)件的在線測(cè)量要求；3）利用兩臺(tái)任意放置的攝像機(jī)構(gòu)成，兩臺(tái)攝像機(jī)的外部方位通過現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的方法確定。為實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件的真正在線測(cè)量，從上個(gè)世紀(jì)九十年代中期起，科技工作者對(duì)立體視覺測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題進(jìn)行了廣泛的研究，開發(fā)出了適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的立體視覺測(cè)量系統(tǒng)，如Metronor的DCS系統(tǒng)和Lecia的V-STARS/M系統(tǒng)。

Metronor 的 DCS 系統(tǒng)，由兩臺(tái)攝像機(jī)、專利光學(xué)測(cè)頭、外參校準(zhǔn)棒、筆記本電腦及三腳架等組成。DCS 系統(tǒng)采用帶有 6 個(gè)光學(xué)特征點(diǎn)的外參校準(zhǔn)棒完成雙機(jī)系統(tǒng)的在線校準(zhǔn)，同樣利用含有 5 個(gè)光學(xué)特征點(diǎn)的光學(xué)測(cè)頭進(jìn)行大空間三維測(cè)量，其測(cè)量范圍為1.5 m~10 m，分辨率為0.001 mm，長(zhǎng)度測(cè)量精度指標(biāo)：±0.020 mm/2.5 m，±0.03 mm/6 m,±0.06 mm/10 m。該系統(tǒng)應(yīng)用于汽車、航空、造船及鑄造領(lǐng)域中各種大型部件的測(cè)量。

Lecia 的 V-STARS/M 系統(tǒng)也是現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的立體視覺測(cè)量系統(tǒng)的典型代表，其測(cè)量精度高，在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用。它也采用接觸式光學(xué)測(cè)頭作為成像目標(biāo)，利用含有反射式光學(xué)特征點(diǎn)的光學(xué)測(cè)棒實(shí)現(xiàn)大尺寸三維坐標(biāo)測(cè)量。該系統(tǒng)在大范圍內(nèi)幾何尺寸測(cè)量方面具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在測(cè)量速度快、方便攜帶、使用靈活、可在狹小的空間測(cè)量、受溫度影響小、可在振動(dòng)環(huán)境下工作和測(cè)量精度高，在10 m范圍內(nèi)其測(cè)量精度可達(dá)到0.06 mm~0.085 mm。因此廣泛地應(yīng)用于航空航天以及天線安裝等大型裝置的測(cè)量。上述兩個(gè)系統(tǒng)根據(jù)被測(cè)工件的特點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)按照一定的布局進(jìn)行設(shè)置，利用光學(xué)參考棒對(duì)兩臺(tái)攝像機(jī)之間的外部方位參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

就雙目立體視覺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀而言，要構(gòu)造出類似于人眼的通用雙目立體視覺系統(tǒng)，還有很長(zhǎng)的路要求，進(jìn)一步的研究方向可歸納如下：

（1）如何建立更有效的雙目立體視覺模型，能更充分地反映立體視覺不確定性的本質(zhì)屬性，為匹配提供更多的約束信息，降低立體匹配的難度；

（2）探索新的實(shí)用于全面立體視覺的計(jì)算理論和匹配的準(zhǔn)則及算法結(jié)構(gòu)，以解決存在灰度失真、幾何畸變（透視、旋轉(zhuǎn)、縮放等）、噪聲干擾，及對(duì)特殊結(jié)構(gòu)（平坦區(qū)域、重復(fù)相似結(jié)構(gòu)等）、遮掩景物的匹配問題；

（3）算法向并行化發(fā)展，提高速度、減少運(yùn)算量、增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性；

（4）強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景與任務(wù)的約束，針對(duì)不同的應(yīng)用目的，建立有目的的面向任務(wù)的雙目立體視覺系統(tǒng)。

4、多目視覺系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀：

三攝像機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)是多攝像機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)特例，是人們?cè)谶M(jìn)行立體視覺測(cè)量時(shí)為減小特征點(diǎn)誤匹配常采用的一種方法，該系統(tǒng)通

常將外部參數(shù)已經(jīng)精確校準(zhǔn)的三臺(tái)攝像機(jī)固定在一個(gè)支架上，利用三臺(tái)攝像機(jī)對(duì)被測(cè)空間點(diǎn)進(jìn)行成像來確定其空間位置，如Krypton公司推出的400-CMM和600-CMM系統(tǒng)。測(cè)量時(shí)將系統(tǒng)任意擺放在被測(cè)件附近，使被測(cè)體處于系統(tǒng)視場(chǎng)范圍內(nèi)，通過光學(xué)接觸式測(cè)頭進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量。測(cè)頭上包含9個(gè)位置關(guān)系確定的光學(xué)特征點(diǎn)，通過測(cè)頭和測(cè)尖的組合變換可以實(shí)現(xiàn)不可見點(diǎn)的測(cè)量；系統(tǒng)不需要現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，可以根據(jù)被測(cè)體的大小和位置來改變測(cè)量系統(tǒng)的擺放位置，但是由于三臺(tái)像機(jī)位置固定不動(dòng)，所以其視場(chǎng)范圍受到了很大的限制，并且該系統(tǒng)還比較笨重。