浅谈光学三维测量技术.doc

浅谈光学三维测量技术单位：长春中国光学科学技术馆 姓名：刘航 李渌洁 王英鸿 邮编：130117 摘要：光学三维测量属于非接触式光学面形测量方法，能快速准确测量出物体的表面形状，被广泛地应用在机械、电影等领域。本文概述了光学三维测量技术的分类，介绍了几种常见的光学测量技术，及其在各个领域的应用。关键词：光学三维测量 三维激光扫描 面结构光光学三维测量是指运用光学方法获取三维物体表面各点空间坐标的方法和技术，是在现代光学的基础上，将光电子学和计算机图像及信号处理等多学科融合在一起的一种先进测量技术。光学三维测量的分类：图1 光学三维测量技术分类图光学三维测量技术按测量原理可以分为摄影测量方法、结构光技术和光学干涉方法。摄影测量法是基于多视几何技术的被动测量方法，一般是在自然光照明的情况下，从两个或者多个视角获取物体图像，然后根据获取的多幅图像的同态匹配点还原物体的三维形貌。结构光技术主要是利用具有特定几何特征的结构光光源照明物体，利用获得的经过物面调制的变形结构光位置或图像来实现物体三维形貌测量。光学干涉法是利用干涉原理进行测量，常用的高精度、高分辨率测量方法之一。以下介绍几种常见的光学三维测量方法。图2 激光测距仪工作原理图三维激光扫描技术根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，光电探测器接收反射光，通过对采集到数据进行计算得到物体的深度信息。三维激光扫描仪的发射器首先发射一个激光脉冲信号，信号经物体表面漫反射之后，沿与原来几乎相同的路径反射回接收器。由脉冲激光发射到反射被接收的时间tL可计算出扫描点到扫描仪的距离值S。扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲的水平方向角和垂直方向角度。依据上述数据计算出扫描点的三维空间坐标（XP、YP、ZP）1。图3 双目视觉原理图双目视觉技术通过视差原理设计的被动测量三维数据的技术。双目立体视觉三维测量方法的基本原理是，从两个(或者多个)视点去观察同一物体，以便获得在不同视角下被测物体的二维图像，然后依据三角测量原理得出图像像素之间的坐标偏差（视差），在以上基础上获得测量物体的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的2。图4 面结构光原理图面结构光系统由投影仪和数码相机组成。投影仪将光栅条纹投射到被测物体表面。受物体高度的调制，光栅条纹发生形变，这种变形条纹可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。数码相机采集到变形条纹图像并且对其进行解调可以得到包含高度信息的相位变化，再根据三角法原理计算出高度，最后形成物体的三维立体图像3。光学三维测量的应用光学式三维测量技术具有非接触、高效率、高精度以及全场景测量等优势，其典型的应用主要有以下几个方面1、逆向工程逆向工程是利用三维测量设备快速、准确地获得实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模工具重建实物模型的过程。逆向工程不是简单地再现，而是要进一步改进、完善产品原型，是现代企业产品快速开发与创新的重要途径。2、虚拟现实利用光学三维测量方法对实物进行快速测量，经过专业化的软件处理，建立物体的三维模型，并由这些模型生成三维时序，实现动画，这就满足了影像特技、电脑游戏、互联网虚拟观摩等需要。3、生物、医学工程运用光学三维测量技术获得的数据可用于人体工程学和医学的研究，典型的如根据所得到的三维数据，结合人体学知识对座椅、防护头盔、服装等进行设计。光学三维测量技术还可以对伤口的大小和深度进行检测、分析人脸颜面的对称性（用于整容）、量化牙齿的矫形手术等。1潘建刚. 基于激光扫描数据的三维重建关键技术研究D. 北京: 首都师范大学, 20052隋婧, 金伟其. 双目立体视觉技术的实现及其进展J. 电子技术应用, 2004, 30(10): 4-7 2 宋万忠,苏显渝. 基于结构光投影的三维物体识别J. 光电子激光, 1999, 10( 1) : 59- 62简介：刘航（1986-），