光學(xué)三維形貌測量概述

技術(shù)背景

物體三維形貌提供豐富直觀的信息，在現(xiàn)代工業(yè)與生活中許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。的非接觸三維測量有著廣泛的應(yīng)用。經(jīng)典的外觀幾何測量諸如長度，角度，平面度，直線度等的測量技術(shù)一般采用接觸式測試（比如三次元測量等設(shè)備）。隨著產(chǎn)業(yè)工業(yè)發(fā)展，產(chǎn)品復(fù)雜程度加大，特別是復(fù)雜物體外形數(shù)據(jù)的精確獲取，包括不規(guī)則自由曲面，，對傳統(tǒng)的接觸式測量提出了挑戰(zhàn)。另外，從工業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，一是超大規(guī)模的系統(tǒng)工程領(lǐng)域：載人航天，國際空間站，航空母艦，大飛機(jī)等；二是面向超高精度的微細(xì)工程：納米微操作機(jī)器人，微裝配/聯(lián)結(jié)/封裝等，其中微細(xì)工程是世界上最具競爭和快速發(fā)展的技術(shù)方向之一。

近年來，隨著工業(yè)4.0概念的推動(dòng)，快速，實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)物外觀形貌的技術(shù)得到迅速發(fā)展，電子，光學(xué)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，以及人們在圖像處理，模式識別，人工智能技術(shù)領(lǐng)取取得了巨大成就。以工業(yè)化的CCD攝像為基礎(chǔ)的非接觸式三維輪廓測量成為研究重點(diǎn)?；诠鈱W(xué)方法基礎(chǔ)上的三維測量技術(shù)具有無損，全場，快速，高分辨率和易于實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化的特點(diǎn)。

光學(xué)三維形貌測量概述

光學(xué)三維形貌測量時(shí)光學(xué)信息科學(xué)的主要研究領(lǐng)域，是目前工程應(yīng)用最有發(fā)展前途的測量方法。因?yàn)槠浞墙佑|和全創(chuàng)測量的特點(diǎn)，在精密計(jì)量，機(jī)械制造，質(zhì)量控制，生物醫(yī)學(xué)，人體測量和文物考古等方面得到廣泛應(yīng)用。光學(xué)形貌測量是現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融合電子學(xué)，計(jì)算機(jī)圖像處理，圖形學(xué)，信號處理等科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)，把通過被測目標(biāo)調(diào)解后的光學(xué)圖像作為檢測和信息載體加以使用，從圖像中提取被測目標(biāo)表面信息的一種方法，根據(jù)測量基本原理和實(shí)施方法可以分為攝影測量方法，結(jié)構(gòu)光法，光學(xué)干涉方法。

攝影測量法（Photogrammetry）-雙目視覺法

攝影測量是基于多個(gè)視覺幾何級數(shù)的被動(dòng)測量方法，在自然光照明情況下，從多個(gè)視角獲取物體圖像，然后根據(jù)獲取的圖像與攝像鏡頭角度的匹配，從而還原物體的三維結(jié)構(gòu)形貌。

其中，雙目立體視覺法使用比較普遍。使用兩臺攝像機(jī)從設(shè)定角度對同一物體完成攝像，獲取兩幅圖像并調(diào)解出兩幅圖像中的對應(yīng)特征點(diǎn)，根據(jù)三點(diǎn)同線原則，組立求解共線方程組完成圖像坐標(biāo)到空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)三維形貌的確定。

該方法主要應(yīng)用在軍事，地貌等測量環(huán)境，為解決測點(diǎn)圖像和視角的同態(tài)匹配問題，一般在被測物體表面放置標(biāo)定點(diǎn)，從而精確標(biāo)定算法，然后使用插值算法實(shí)現(xiàn)被測三維形貌恢復(fù)。

缺點(diǎn)：該方法測量精度一般比較低，數(shù)據(jù)運(yùn)算量打，不適合精密測量，一般使用與目標(biāo)識別，定位，以及位姿分析。

優(yōu)點(diǎn)：類似于人類的眼睛體視功能，測量范圍大，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)采集快捷方便，不受物體顏色影響，在計(jì)算機(jī)視覺和自動(dòng)識別系統(tǒng)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用背景

結(jié)構(gòu)光法（Structured Light Method）-三角激光法

直接三角法包括激光三角法，光切法和全場結(jié)構(gòu)光法。主要原理是利用光學(xué)中的著名的三角關(guān)系來實(shí)現(xiàn)物體高度的測量，目前該技術(shù)比較成熟。比如日本Keyence公司的光學(xué)測量器件主要采用三角法技術(shù)。目前大多數(shù)三維形貌測量技術(shù)都衍生于三角法測量技術(shù)。

根據(jù)掃描方式不同，包括點(diǎn)掃描激光三角法和線掃描技術(shù)，前者是目前較成熟的測量形貌和高度方法，典型的測量范圍在5mm到25mm，精度為萬分之一，測量頻率40KHz。一般用線性CCD或PSD記錄光斑位置，光斑位置的移動(dòng)和物面高度相關(guān)，其尺寸大小及雜散光影響測量精度。三角測量法一般采用激光作為光源，測量范圍比較大，并能抑制噪聲。光切法是用線結(jié)構(gòu)光代替單點(diǎn)結(jié)構(gòu)光，實(shí)現(xiàn)表面的快速測量掃描。

激光三角法和光切法具有測量精度高，算法簡潔等優(yōu)點(diǎn)，用于工業(yè)領(lǐng)域，并替代三坐標(biāo)測量設(shè)備中的接觸式掃描探頭，實(shí)現(xiàn)物面三維形貌測量，缺點(diǎn)是單次測量獲取信息量小并且需要精密的掃描機(jī)構(gòu)，測繪效率不高。為進(jìn)一步提高測量速度和效率，現(xiàn)階段研究者提出利用面結(jié)構(gòu)光投影代替點(diǎn)線結(jié)構(gòu)光來實(shí)現(xiàn)物體形貌的全場測量。

結(jié)構(gòu)光法（Structured Light Method）-莫爾條紋法

所謂莫爾條紋指的是以透射光柵為例，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度θ，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對平行放置時(shí)，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋”。嚴(yán)格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度

莫爾條紋輪廓測量法是上世紀(jì)70年代提出并發(fā)展起來的一種技術(shù)，基本原理是利用基準(zhǔn)光柵與投影到三維物體表面上并受表面高度調(diào)制后的變形光柵重疊形成莫爾條紋，對莫爾條紋進(jìn)行分析，從而得到三維表面輪廓的深度信息。其應(yīng)用技術(shù)包括影像莫爾法，投影莫爾法，掃描莫爾法等幾種。為了使得莫爾條紋法應(yīng)用于自動(dòng)化測量，在系統(tǒng)中添加一機(jī)構(gòu)，使得一塊基準(zhǔn)光柵垂直于光柵線方向做微小移動(dòng)，根據(jù)莫爾條紋同步移動(dòng)的方向來自動(dòng)判斷表面的凹凸。掃描式莫爾法則是使用電子掃描光柵和變形光柵像疊加生成莫爾登高線。利用現(xiàn)代電子技術(shù)，方便地改變掃描光柵珊距，相位，生成不同相位的莫爾等高線，實(shí)現(xiàn)大范圍測試。

目前莫爾輪廓測量主要用于工業(yè)檢測，人體輪廓檢測等，由于莫爾條紋輪廓法靈敏度不夠高，還不能滿足工業(yè)上的一些高精度測量要求，主要用在人體輪廓檢測，包括骨科，胸外科和整形外科方面。

結(jié)構(gòu)光法（Structured Light Method）-飛行時(shí)間法

結(jié)構(gòu)光技術(shù)指的是利用具有特定幾何特性的結(jié)構(gòu)光源照明物體，物體表面的輪廓特性對結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生調(diào)制特性，通過檢測到的調(diào)制光辨識出物體表面輪廓特性。根據(jù)所用結(jié)構(gòu)光和測量原理區(qū)別分為時(shí)間調(diào)制和空間調(diào)制兩大類，其中飛行時(shí)間法是基于時(shí)間調(diào)制的方法

飛行時(shí)間法是利用光束在空間傳播時(shí)間進(jìn)行測量，一個(gè)激光脈沖信號從發(fā)射端出發(fā)，經(jīng)過物體表面漫反射后，幾乎沿著完全相同的路徑返回到接收端。檢測光脈沖從發(fā)射到接收之間的時(shí)間延遲，可以計(jì)算出被測物體表面到光脈沖發(fā)射端的距離。

結(jié)構(gòu)光法（Structured Light Method）-相位測量法

相位測量法是利用光柵投影并通過圖像分析得到精確測量的技術(shù)。通過相位測量，可以提高測量分辨率并對圖像信息深度挖據(jù)。相位測量是結(jié)構(gòu)光技術(shù)和光學(xué)干涉測量相結(jié)合產(chǎn)生的測量方法。通過建立物體表面高度和投影到物體表面條紋相位的關(guān)系而獲得物體表面的三維信息?；谙辔环ǖ臈l紋投影三維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并且具有全場高精度測量特點(diǎn)，成為目前最具潛力的三維形貌測量技術(shù)。

相位測量結(jié)構(gòu)功能主要包括條紋投影實(shí)現(xiàn)，條紋相位的獲取，和相位高度關(guān)系定義三個(gè)部分，其中條紋相位計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)測量的高度計(jì)算。

相位測量輪廓技術(shù)的原理

DO：投影光軸； CO：探測光軸

DC=d：軸間距，與平面平行

光軸到目標(biāo)點(diǎn)E投影本來應(yīng)該投影與B點(diǎn)， 由于被測表面形貌調(diào)制，在CCD成像在A點(diǎn)，AB=S(x,y)

H(x,y)=LS(x,y)/(d+S(x,y)

正玄光柵投影到待測物體表面，規(guī)定坐標(biāo)原點(diǎn)O系統(tǒng)相位為零。采用4步相移技術(shù)（每步90度，利用CCD攝像獲得4幅畸變光柵條紋圖光強(qiáng)，利用光強(qiáng)關(guān)系計(jì)算E點(diǎn)相位，在利用光柵直接投影到參考面（XY平面）的光強(qiáng)關(guān)系，得到A點(diǎn)相位。

相位差：

當(dāng)探測光軸高度L遠(yuǎn)大于被測面高度,測點(diǎn)高度差為

根據(jù)條紋相位獲取方法的不同，相位測量法又分位移相位法和空間相位法。相移動(dòng)法采用正弦光柵投影，通過獲取一個(gè)條紋周期內(nèi)的多幅相移條紋圖像，計(jì)算物面投影條紋相位分布，從而計(jì)算獲取物面三維形貌特性。

優(yōu)點(diǎn)：相移法中測得的物面每一點(diǎn)的相位值只與改點(diǎn)的光強(qiáng)度有關(guān)，對物面顏色及反射等引起的強(qiáng)度不均勻不銘感，測量精度高。

缺點(diǎn)：相移法需要采集多幅條紋圖像，測試速度慢，因此時(shí)間域相移法主要應(yīng)用在不需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)測量的場合。

空域相位法主要包括空域相移法，傅里葉變換法，蓋波變換法等。由于空域相移法只需要一幅或兩幅圖像就可計(jì)算條紋相位，數(shù)據(jù)量處理下，適合動(dòng)態(tài)測量和實(shí)時(shí)監(jiān)控。但不適合用于測量梯度變換較大的場合。