三维形貌测量综述翻译.doc

光学测量三维形貌综述光学测量三维形貌综述摘要第一部分，我们将总体了解光学测量三维形貌的方法。第二部分，我们把重心集中在各种不同的光学结构、图像采集技术、数据后期处理和分析、以及其优缺点，并介绍一些工业中的实际应用，讨论其中重要领域的研究与开发。最后，我们将列出一份有关光学测量三维形貌的广泛参考书目。 2000 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers. S0091-3286(00)00101-X关键词：三维形貌测量；坐标测量；光学方法；综述ABSTRACTWe first provide an overview of 3-D shape measurement using various optical methods. Then we focus on structured light techniques where various optical configurations, image acquisition techniques, data postprocessing and analysis methods and advantages and limitations are presented. Several industrial application examples are presented. Important areas requiring further R&D are discussed. Finally, a comprehensive bibliography on 3-D shape measurement is included, although it is not intended to be exhaustive. 2000 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers. S0091-3286(00)00101-XSubject terms: three-dimensional shape measurement; coordinate measurement; optical methods; overview.Paper received July 12, 1999; revised manuscript received Aug. 23, 1999; accepted for publication Aug. 23. 1999.目录第一章 介绍1第二章 光学三维测量技术21. 时间/光飞行法22. 激光扫描23. 云纹法（莫尔纹法）24. 激光散斑切片法35. 干涉法56. 照相测量法57. 激光跟踪系统58. 结构光法6第三章 测量物体360度形貌的一般方法7第四章 整体和局部坐标转换8第五章 机构光源、图像传感器、相机模型和校准10第六章 绝对相位值测量和不连续歧义克服12第七章 图像数据修补和CAD日期比较13第八章 传感器设计141. 生成及测试142. 综合方法143. 传感器仿真系统144. 专家系统法145. 传感器规划实例15第九章 论证实例161. 面板回弹调查162. 车辆形貌测量193. 三维振动204. 油漆缺陷21第十章 结论和未来的研究趋势241. 实时计算242. 直接的形貌测量从没有涂层的单项反射面243. 阴影问题254. 评估光学形貌测量系统的标准方法255. 高的准确度和大型测量范围266. 传感器规划和测量系统的检定和最佳化26致谢27参考文献28介绍第一章 介绍在工业中，为了加快产品制造和确保产品质量，就要正确测量其三维形貌。各种三维形貌测量设备包括智能机器人、自动导引车辆障碍物检测、模具尺寸测量、冲压面板几何检查、应力/应变和振动的精确测量。此外，在线自动检测与识别的问题可以转换为物体的三维形貌检测，例如：主体板油漆缺陷和凹痕检查。近年来，随着计算机技术的发展，在与数字成像设备，光电元器件，激光和其它光源的发展相结合，部分三维形貌测量技术已成功商品化。对于一个小型的深度或形状，可以使用共聚焦显微镜或其他的3 - D显微镜达到微米甚至纳米级的测量。然而，关键是相对精度或者一部分深度测量。这就提出了测量一个大型形貌的挑战。例如，如何才能准确测深0.5米呢？此外，对于一个大型的深度或形状的测量，需要更多的照相机通过不同的位置多次获得不同的形貌最终合成完整的形貌。这就产生了如何合成这些形貌的高精度方式和执行局部/全局坐标转换的问题。这又提出了一个新的问题，就是要如何克服镜头畸变和像差。之后获得的三维形貌数据必须与电脑辅助工程（CAE）模型进行比较。本文提供了各种光学测量三维形貌方法的概述，着重于大型测量和360度形貌测量的结构光测量系统，概述了各种细节问题，如绝对相位测量、结构光源、图像采集传感器、相机型号和校准，共同探讨局部/全局坐标的转换方法。然后讨论点云修补技术和CAD数据的比较，进行若干应用程序的描述。文章最后将提及今后研究的趋势，如实时计算、自动化和传感器配置优化、确立光学坐标测量系统（OCMSs）的评价标准等。31光学三维测量技术第二章 光学三维测量技术近来，各种光学技术已被开发用于一个位置的三维形貌测量。有关一些技术的全面概述可以参考书目1。1. 时间/光飞行法用于测量形貌的飞行时间法是基于对激光或其它光源脉冲飞行时间的直接测量。测量时，脉冲对象被反射回接收传感器和一个参考脉冲通过光纤，由传感器接收。两个脉冲之间的时间差转换为距离。而飞行时间法的典型分辨率约为1mm。由于二极管激光器和高分辨率电子能产生亚皮秒脉冲，亚毫米分辨率是可以实现的。最新发表的时间相关单光子计数法在距离为1m内具有深入重复性小于 30 m 的分辨率。另一个类似的技术称为light-in-flight的技术是利用短时间相干光或很短的光脉冲生成光学波阵面的运动图像。结合数字重建和Littrow设置，可以达到 6.5 m 的深度分辨率。2. 激光扫描法点激光三角法采用光学中著名的三角关系。典型的测量范围为 5 250 mm，精度在1/10,000，测量频率在 40kHz 或以上。电荷耦合器件（CCD）和位置敏感探测器（PSD）广泛用于数字化点激光图像。对于一个PSD，测量精度依赖于PSD的图像精度。光束反射和散射光点也会影响测量精度。M. Idesawa发明了一些方法来提高PSD的精度，如高精度万花筒镜面隧道位置传感技术（KM-PSM）和混合型的位置灵敏探测器。基于CCD传感器由于单像素分辨率，避免了束斑反射和散射光的影响，并提供更高的精度。另一个影响测量精度的因素是校准被测物体表面特性的差异。通常情况下应进行类似表面的校准，以确保测量精度。最新开发的共焦技术可以容许表面颜色变化，透明度差，和校准不当等问题。3. 云纹法（莫尔纹法）云纹法（又称莫尔纹法、叠栅干涉法）可以分为面内和影像（离面）云纹法两类。云纹技术的关键是两面光栅（主光栅和参考光栅）生成等高条纹被CCD相机接收。由于CCD相机并不需要接收光栅本身，从而实现更高的分辨率。然而，如果参考光栅是由计算机生成的，如逻辑云纹法，相机必须接收主光栅。云纹技术相对于机构光技术，高的分辨率意味着实施的复杂性和高功率光源的需要。（1）克服环境扰动，（2）提高图像采集速度，（3）利用相移的方法来分析条纹图案（快拍和多图像莫尔系统已被开发）。使用多相机或图像分割法可以同时得到两个或两个以上不同的相移莫尔条纹。参考书目 20 提供了一些特别强调对噪声和系统误差函数来运的高速莫尔轮廓法。相移云纹法的典型测量范围从 1 mm 到 0.5 m，具有 1/10 1/100 的分辨率。一些新的应用程序和相关资料可以参考文献 21 30 。4. 激光散斑切片法光波（频率）和距离（范围）的三维傅里叶变换关系可以用于测量一个物体的形貌。三维成像激光雷达，也被称为散斑抽样，原理是利用检测平面的光场对应于物体的三维傅里叶变换的二维切片的原则。改变激光的波长需要其他物体三维变换的二维切片。使用一个CCD阵列测量不同激光波长的斑点图案，每一个帧数据加起来生成一个三维数组。应用上述数组的三维傅里叶变换以获取一个物体的三维形貌。当使用参考平面法时，上述方法类似于双波长或散斑干涉多波长。测量范围可以从几微米到一米。而测量精度取决于测量范围。当前的激光技术，10 mm 的测量范围可以获得1 - 10 m 的分辨率，并可以实现0.5 m 的测量不确定度（商业系统列表的测量仪器HoloMapper见附表1）。这种方法的优点是：（1）高弹性的测量范围，（2）可能不需要传统干涉中的相移。这种技术的局限性在于：对于较大规模的形貌测量，需要更多的时间，掌握不同波长的图像。表1 一些基于前沿技术的商业全视场形貌测量系统系统原理accuracy dependent on volumeAtos System Caputure 3D, Costa Mesa, CA 92626, 1-714-546-7278Structured light+photogrammetry 360-deg view/patchingAbout 50 m (2) on a relatively large volumeComet/Opto Trak System 4000 Grand River Avenue, Suite 101, Novi, MI 48375, Structured light+optical tracking; 360-deg view/patchingAbout 50 m (2) on a relatively large volumeOptigo/CogniTens System U. S. 815-637-1926Random dot pattern+photogrammetry+trilinear tensor; 360-deg view/patchingAbout 20 to 100 m (2) on a relatively large volume4Dl System IA, 149 Sidney Street, Cambridge, MA 02139, 617-354-3830Structured light+real time computing; one view/no patchingAbout 10-3 on a medium volumeHoloMapper System ERIM International, Inc., 1975 Green Road, Ann Arbor, MI 48105, 313-994-0287Laser radar/multiple wavelength; one view/no patchingUncertainty 0.5 m on a medium volume5. 干涉法基于干涉法形貌测量的想法是，灵敏度矩阵的变化所形成的条纹与物体的几何形貌和测出的光学相位有关。该矩阵包含三个变量：波长、折射率、照明和观察方向，从这三种方式，两个或多个波长，折射率变化和照明方向上的变化/两个来源而得。双波长方式的解决取决于等效波长（）和/ 200的相位分辨率。例如，氩激光的两个输出方式（ 0.5145 m 和 0.4880 m ）会产生一个波长为 9.4746 m 的等效波长，且具有 0.047 m 的分辨率。另一种高精度测距技术是双差频移干涉。最新研究表明它取得了 100 m 以内 0.1 mm 的显著分辨率。干涉法具有没有三角测量技术遮光问题的单态优点。结合相移分析，干涉法和外差技术可分别具有 1/100 和 1/1000 的条纹精度。随着专用光学结构设计，条纹精度可达到 1/10,000 。其它方式如错位散斑干涉法、衍射光栅法、数字波前扫描重建和波长扫描以及锥光全息技术也在开发之中。错位散斑干涉法和锥光全息技术的常用路径和共线系统相对不受机械干扰。6. 照相测量法典型的照相测量法采用立体技术测量三维形貌，尽管其它方法如离焦、遮光和缩放也可使用。照相测量法主要用于特征型三维尺寸测量。这种技术通常都有一些明亮的时标，如被测物体表面的反光画点。在一般情况下，照相测量的三维重建是建立在光束法平差原理，其中中心透视几何模型和照相测量关系中的光束方向由最小二乘程序开发解析实施。为提高照相测量的精度已做了大量广泛的研究，最新进展已实现 1/100,000 乃至 1/1,000,000 的高精度。7. 激光跟踪系统激光跟踪仪利用干涉仪来测量距离，两个高精度角编码器以确定垂直和水平角度。SMARRT 310 激光跟踪仪是由（美国）国家标准局开发，由美国自动精密工程公司（API）改进至 1 m的分辨率和 0.7 arc 的角分辨率。激光跟踪仪是一种扫描系统，通常用于跟踪光学传感器或机器人的位置。莱卡（Leica）公司的激光目标指示器（LTD - Laser Target Designator）系统可提供精度约为 50 m 的绝对距离测量和在半径为35 m 的测量体积内允许百万分之五精度的角编码器。8. 结构光法结构光法，也被分类为主动式三角测量，包括投射编码光技术和正弦条纹技术。图像采集传感器记录物体的深度信息再编码成干涉条纹。虽然与云纹技术有关，物体的形貌可以直接从记录着漫射物体的干涉条纹解码出来，而不需使用参考光栅产生莫尔条纹。另外两个相关技术运用随机模式投影和三线张量。如果使用液晶显示器（LCD）或数字微镜元件（DMD - Digital Mirror Device）和优化面型测量系统，测量精度可达 1/20,000。结构光法具有以下优点：（1）易于实现，（2）使用计算机控制LCD/DMD无需移动部件就可实现相移、条纹密度和方向的变化，（3）可实现快速全局测量。因为这些优点，坐标测量行业和机械视觉行业已着手结构光法的商业化（见表1），具体应用可参考文献 80 82 。然而，要使这种方法更为普遍地使用还需解决一些问题，包括三角测量技术普遍存在的着色问题。360度多视图数据和投影光栅/点的离焦带来解决问题的希望。以下章节将提及。使用显微镜观测小的物体可实现 1 m 和 0.1 m 的横向和深度分辨率。利用共聚焦显微镜测量形貌可参考文献 88 。测量物体360度形貌的一般方法第三章 测量物体360度形貌的一般方法测量时先设置整体坐标系和局部坐标系。一方面把结构光成像系统放置在适当的位置测量三维形貌，并在每个目标点计算出绝对相位值。这些相位值和测量系统的几何光学模型，确定目标点的局部三维坐标。测量360度形貌通常有三种方法：物体旋转法、相机/成像系统传输技术和多相机固定成像法。用于测量大型物体的相机传输技术，是通过不同方向重复测量以覆盖被测物体。所有的局部三维坐标转换到整体坐标系，并用最小二乘拟合法拼凑在一起。最后测得的物体三维坐标与可计算机中的CAD主数据通过各种方法比较，常用的有分化比较法和最小二乘拟合法。整体和局部坐标转换第四章 整体和局部坐标转换当进行物体的360度三维测量时，光学传感器必须放置在测量物体周围的不同位置。每个位置得到的点云需要从局部坐标输入到或转换成整体坐标（系），已使这些点云可被拼凑在一起生成最终的数据集。为做到这一点，每个传感器坐标系中的位置和方向必须被明确知道或测量出来。任何在测量和计算传感器位置和方向中的错误都将引起整体坐标的分布误差，并影响最终测量的整体精度。整体和局部坐标系的关系可以由以下方法来确定：（1）传感器的精确客观位置和方向（局部坐标系），（2）利用光学跟踪连接到主动或被动目标的传感器的位置和方向，（3）精确固定在物方视场的时标照相测量法和混合方法（各种方法如图1所示）。图1 传感器规划图表展示了若干方法以确定整体坐标系和局部坐标系的关系在第一种机械方法中，传感器附着在高精度的机械定位系统。位置和方向传感器用于采集系统坐标和角度信息。机械系统的优点是耐用和高精度。然而，机械装置的精度，环境扰动的克服，和设备的维护的成本都是非常高的。在第二种光学方法中，局部坐标系是通过使用光学跟踪系统的光学传感器框架，测量出参考目标的的整体定位再计算出来的。这种方法具有便携和紧凑的优点。然而，传感器的目标必须是看见的，这又限制了灵活性。此外，地面振动的影响也是必须需要考虑的因素。倘若使用一个高精度跟踪系统，如激光跟踪系统，成本也相对较高。机械方法和光学方法都存在着角误差。第三种照相测量法可提供高精度的局部坐标系和固定在物方视场的精确整体坐标标记测量定位。这种方法的精度可高达 1/1,000,000 ，最低也可达到 1/100,000 。然而，这种方法的主要限制是其定位标记必须放置在被测物体的表面或周围。这就增加了测量时间和自动化地复杂性。机构光源、图像传感器、相机模型和校准第五章 机构光源、图像传感器、相机模型和校准光源对于一个三维形貌测量系统的整体精度很重要。重要参数包括均匀性、重量、强度截面和散斑/点的大小。朗奇光栅幻灯片的投影提供了明亮图像的高分辨率，目前已用于某些商业系统。然而，需要应用相移方法和光栅频率来计算绝对距离。这又导致只能缓慢地用相对大的空间储存不同的光栅。在1991年到1993年之间，利用非相干光技术的液晶投影机（LCDs）已用于每一个像素都可被计算机寻址的图像生成系统。这种投影方式的优点是快速的相移和可变光栅。其缺点是LCDs需要强光源，带来冷却问题和重量的增加。此外，与基于光投射的胶片幻灯片相比分辨率较低。为了克服液晶显示器（LCD）的光亮度的问题，开发出了反射式LCD，等离子体显示器（GPD）和DMD。另外，DMP镜子间的差异比LCD间的像素更小，使DMD的图像相对清晰。使用LCD/DMD式条纹投影的形貌测量系统的详细错误分析和优化可参考文献 106 。LCD、GPD和DMD拥有真色彩模式，可被用来同时采集三种图像或三相移图像，这使得相移技术不受环境干扰。颜色优势也可用作绝对相位测定。其它光源包括拥有Mach-Zhender结构的双接点激光干涉仪、纤维光学、双折射晶体、声光调制器（AOM）和拥有专设菱镜可生成波束角为0.149度99条线的Lasiris非高斯结构投光器。图像采集是光学三维形貌测量的一个关键因素。目前，图像是由电荷耦合器件（CCD）传感器或电荷注入器件（CID）传感器接收的。有全帧传感器、帧转移传感器和行间转移式传感器。这些传感器的性能指标包括速度、分辨率、动态范围和准确性。CCD传感器在市场上可买到的 DALSA IA-D9-5120、Ford Aerospace 4k4k、Kodak Model 16.8I (4k4k)、Loral CCD481都可达到 5k 5k 像素，这只是其中几项。通常，高分辨率传感器全帧CCD，不具有存储功能，需要快门来等待图像转移，又导致传输速度减慢。结合微观和宏观扫描技术，图像分辨率可高达 20k 20k ，相当于在 20 20 cm 用每毫米100条线照相的分辨率。CID传感器与CCD传感器区别在于不需曝光过度，并可选择性地读出，因为每一个像素都是独立处理的。高精度的CCD传感器或摄影机需要高辐射测量精度和高几何精度，包括内部参数，如透镜畸变，和外部参数，如相机的的坐标位置和方向。有关CCD传感器的辐射度和几何特征的描述和校准的详细讨论可参考文献 118 。测量时使用自动校准可达到 1/1,000 的相对精度。使用更复杂的非线性相机模型的正式离线校正程序可得到更好精准校准，精度可达 10-4 到 10-5 。高精度相机模型是描绘透镜像差和修正捉取图像中的像差引起的畸变的关键。光学测量系统的校准可进一步分成几何参数技术（如前所述）和几何变换方法。几何参数技术需要包括投影机和图像传感器的光学设置的已知参数。另一方面，几何变换方法并不需要图像系统的参数知识，其中文献131 介绍了最新开发的图像投影技术和光线跟踪技术，而文献 132 介绍了物体的已知位置和相机变化的方法。成像系统一旦被移动，或者被测物体的大小/深度改变，校准过程可能就要重新执行。然而，这种方法可能会造成一些局限性。文献 134 介绍了一些可以降低校正程序复杂性和提高精度的自检校方法。绝对相位值测量和不连续歧义克服第六章 绝对相位值测量和不连续歧义克服一般而言，使用相移结构光来测量物体的三维形貌只渲染相对相位值。相移决定了任何像素的条纹分数阶。这些分数阶利用其毗邻的整数阶连接在一起，这就是所谓的展开过程。然而，当相邻像素之间的相位差大于2，例如形貌发生不连续的或陡峭的变化，整体干涉级次将会变得模糊。最近，已经发现了克服不连续性的方法。其基本思路是，改变测量系统的灵敏度引起边缘或投影结构带密度的改变。这就意味着条纹的整数阶将间断性地蔓延。在空域和时域都可观察得到，导致各种不同的方法。正如文献144中所提及，克服不连续性的关键是展开过程确定“阶”顺序整数 n 。干涉法中使用这些方法如改变参数波长以确定绝对边缘的分数阶和整数阶。在光栅旋转平面中，光栅频率（举例来说：双接点变量空间条纹投影）是有用的技术。尽管改变视向可能不能覆盖所有像素点而具有局限性，三角测量法和立体平画法也可用于确定绝对相位值和克服不连续性。一些直接的相位计算可能仍然需要连续条件，例如无需相位展开的相位诱导法。然而，锁相回路技术也可解决同样的问题。图像数据修补和CAD日期比较第七章 图像数据修补和CAD日期比较处理后的360度局部图片，局部点云斑必须混合起来以获得物体最终的整体点云。该测量系统的精度也取决于匹配精度。照相测量法中匹配法和算法已展开广泛的研究，一般可划分为基于区域匹配、基于特征匹配和其它方式如重心法。基于区域匹配利用相关系数最大化和最小二乘法最小化，而基于特征匹配利用所有算法提取点、线、面特征。基于区域匹配通常采用像素强度作为约束，而基于特征匹配采用几何约束。这些方法都需要亚像素精度实现整体精度。在优化条件下，一般而言获得 0.05 的像素精度，最高可达 0.02 。在亚像素精度与几何精度的讨论中几何精度更有前景。在CAD数据对比中，常用到微分法和平方法。从 CAD 数据中减去测量点云数据作为误差指示器以获得偏差。通过适当 CAD模型的对比可获得两种方法的最佳匹配。模型匹配可从点云数据集的选择开始。通过帕法向量关联局部 CAD 表面法向量把子集中的检测点数据搭关联到 CAD 数据。将CAD表面和测量点云之间法线方向的间距代入最小二乘误差函数，通过优化最小二乘误差函数完成最佳匹配。在转换成 CAD 主数据之前，测量数据必须转化成标准的CAD表示法。通常先把测量数据分离成主要几何实体，并在非均匀有理B样条表面形式下对这些实体建模；使用通用的的数学解决方案的好处除自由形态表面还可以描述二次曲面。传感器设计第八章 传感器设计为了获得完整的三维信息，大规模表面检测通常要么需要多个固定的传感器，或者变换布置单个传感器。多重感官系统在同类产品的大容量检查中具有优势，但通常缺乏灵活性。为了提高灵活性，出现各种便携式敏感元件系统和自动化手眼系统。然而，不管使用哪种类型的敏感元件系统，需要解决的首要和最关键的问题是，如何安置传感器观察三维物体而不漏掉必要信息。考虑到环境（例如观测目标和有效的传感器）和任务（即特定对象特征的检测、目标识别、现场重建、对象操作和足够密集的精确点云）信息，为了满意地地完成任务，应制定确定传感器参数的策略。通常把解决这类问题归为传感器的规划问题。传感器规划的一般技术已取得很大的成就，可把他们分为四类。1. 生成及测试在这种方法中，先设置传感器配置，再通过性能函数和任务约束条件评估配置。为避免耗尽搜索过程，在观察中嵌合物体周围的可见范围离散传感器配置定义域。这是一种不保证最佳效果的耗时技术。2. 综合方法这种方法建立在任务约束条件和传感器参数之间的分析关系。这是一个充满美妙的充满希望的理论框架，可以决定某些情况下传感器的配置。这种方法的缺点是有时会丢失解析关系，尤其是当复杂的约束条件下。3. 传感器仿真系统该系统将目标物体、传感器和光源统一在一个虚拟环境，再使用生成和测试的方法来找到所需的传感器配置。仿真系统的好处在于操作者可以主动掌握测量过程以确保结果。4. 专家系统法利用基于规则的专家系统弥合实际和专业知识实现。根据现状核实的专家系统得出推荐的传感器配置。一般而言，拥有更完整的知识，系统将提供更“聪明”的建议。5. 传感器规划实例实际上，这些传感器规划技巧有很强的应用背景。这些目标被积极设定为以提升机器智能和减少人工操作，这都是会造成现代工业中开发周期长、成本高、工程复杂的因素。例如：（1）智能传感器规划系统的概念被定义为通过被测零件的CAD模型实现自动化尺寸测量应用，（2）采用检查体系能够在新的状况下通过即时传感器规划技术决定适当和灵活的动作，（3）通过把这些技术应用到机器人视觉系统实现自动确定视觉传感器和光源的方向和位置。论证实例第九章 论证实例1. 面板回弹调查在组件开发周期，存在一个需要测量组件形貌或组件模具的实验阶段。以下是使用三维光学测量配置测量组件并通过对比主CAD数据评估回弹效应的演示。图2显示了组件的点云数据。图3显示了相应的CAD数据。图4显示了测量数据和CAD数据的比较，这两组数据都是通过最小二乘法拟合比较的。点云扫描数据图2 元件的点云测量数据部分CAD数据图3 元件相应的CAD数据图4 元件的CAD数据和测量数据的比较2. 车辆形貌测量为了快速成型和标记，往往需要测量车身形貌。以下实例利用结合照相测量的结构光法测量车身形貌。把一些编码目标放置在车身上使达到局部到整体坐标的转换。结合相移和绝对相位检测技术，将结构光投影在车身表面，通过使用条纹频率变化单视向逐个像素地确定局部坐标。二百四十个视向覆盖在整个车身表面（这是一个真正的车辆）。再通过最小平方法将240个点云拼凑在一起。从8个像素中提取一个点云数据。图5显示了阴影测量数据，图6显示了点云数据。图5 车身的投影测量数据图6 车身的点云测量数据3. 三维振动为准确分析振动或应变，必须知道测试结构的几何信息。使用双波长形貌测量法，测试结构的振幅、相位和几何信息可通过一个单一紧凑的电子散斑干涉（ESPI）装置测定出来。图7（a）和图7（b）显示了沿其边界夹紧并承受500Hz谐波激励的波形板的四种振动态。图7（a）里的状态1描述了最初的波形板几何形貌和在不同时间的其它振动状态。从图7可清楚看到振动中的形貌效应。图7 (a) 振动态1描述了原始波形板的几何形状， (b)-(d) 振动态(b)2、(C)3和(d)4显示了底层形状效应4. 油漆缺陷几何测量技术也可应用于测量车身面板的油漆缺陷，虽然在大面积检测小瑕疵是一个难题。已经开发出一种方法，如图8的流程图所示（图9为光学装置），由监视器发出的结构光从被测面板反射出来并被计算机图像处理系统接收数字化。然后通过变换结构光频率并使用数字傅里叶变换法提取面板的整体形貌。通过选择半空间频率计算面板的整体形貌的几何缺陷。最后减去前两个结果获得检测几何（如图10所示），图10（a）显示了投射了结构光的面板，图10（b）显示了最终的结果。可看到如果不去计算，加强条纹调制只能观察到大的缺陷。测量范围约为 0.25 0.25 m ，最小缺陷尺寸约为 500 mm 。其它的一些应用实例可参考文献 205 和 206 。数字化傅里叶变换傅里叶变换选择一阶选择半空间傅里叶反变换傅里叶反变换计算模态计算模态减去两个相位以获得结果图8 图标显示了由显示器产生并从文字面板反射最终由图像处理系统数字化的结构光结构光屏图9 显示了显示器产生的结构光由面板反射最后经图像处理系统数字化的光路图10 (a) 投影结构光后的面板，(b) 最终测量结果中的缺陷结论和未来的研究趋势第十章 结论和未来的研究趋势虽然三角测量法、结构光法和干涉法都已存在了几十年，只到了近代结合先进低廉的计算机、电光原件和激光器，才使这种技术突破商业化的瓶颈，并越来越多地应用在工业上。但为了更好地应用于实际并提升精度至 10-4 到 10-5 ，一些难题还有待解决。下面提出了一些未来的趋势。1. 实时计算在工业中为了压低生产成本，提高生产率和质量，需要实时三维形貌测量技术。实时计算将影响数字化设计、数字和物理制造和快速成型，简化并整合产品设计和制造。实时三维形貌测量时成功实施三维坐标显示和测量、生产控制过程和在线质量检测的关键。在这当中令人鼓舞的例子是基于不同但关联的实时同步测量的Jigless组件。正如Hobrought所描述，“实时”是在相当于CCD传感器积分时间的 17 ms 周期内为每一个像素分配Z值或深度。最近，使用照相测量法在每 40 ms 内可超过 100 个测量点，并作出实时三维形貌测量系统报告。实时的关键是可满足在线生产需要的高运算速度。2. 直接的形貌测量从没有涂层的单项反射面利用单向反射面（如模具表面）通过光学方法测量物体的三维形貌是一个迫切需要但又缺少研究的领域。当今正努力发展这领域的技术。文献 210 和 211 提出了用四个指示灯测量反射面特征的技术。文献 212 使用了 Torrance-Sparrow 反射模型的简化形式以检索目标物体的曲率，这种方法依据已有知识或表面反射。文献 213 和 214 都建议使用多重（127）点源探测反射面形貌。文献 215 中开发使用扩展源矩阵的光度测定抽样技术以确定反射面形貌。文献 216 220 使用扩展电视屏幕作为结构光源，然而，由于扩展屏幕要靠近测量表面放置，照射范围是有限的。文献 218 220 提出了的结构光投影结合回射屏幕可使大面积可视化。然而，回射屏幕在测量过程中必须是受控的、精确的，不能挪动或变形并标有刻度。文献221 和 222 中开发出了为测量模具表面反射面形貌的同轴直线距离传感器。然而，这种基于点扫描技术在工业模具表面测量应用中扫描技术不够快。测量模具表面的最新技术需要在模具表面涂上粉末，这又会减慢测量速度和降低测量精度。3. 阴影问题当今正确少有关克服三角测量法固有阴影问题的研究，虽然出了干涉和激光雷达等方法都有了一定的进展。这些方法使用了与共焦显微镜原理类似的去焦技术和最新开发的衍射光栅技术。4. 评估光学形貌测量系统的标准方法必须建立评估光学形貌测量系统的国际标准。评估标准的重要部分包括：（1）与已知大小、表面加工和材料分开的标准样品，（2）数学假设和错误表征，（3）测量速度和数量的能力，（4）重复性和再现性程序，（5）校准程序，（6）可靠性评价。精度/重复性和准确定需要确定标准规范/术语（见表 2 ）。精度和准确度经常被相互误用。另一个例子是，准确度、错误或不确定度，应该使用哪个。然而，在学术界和工业中都更多地使用准确度。许多坐标测量厂商指定准确度范围为+/ -x微米。然而，一些制造商试图将测量准确度指定为 1, 或 2, 或 3 。（The ISO/R 1938-1973 standard employs a 2 band.）表2 术语准确度(Accuracy)测量结果与被测量值之间的的接近程度。参考文献223。不确定度(Uncertainty)由实际值估计测量结果可能的偏差。参考文献224。误差(Error)测量结果与被测量真值之差。参考文献223。精度(Precision)规定条件下独立测试结果之间的接近程度。参考文献223。重复性(Repeatability)在相同测试条件下同一被测量成功测量结果之间的接近程度。参考文献223。再现性(Reproducibility)在改变测量条件下同一被测量测量结果之间的接近程度。参考文献223。分辨率(Resolution)所能检测到信号最小部分的尺寸。参考文献224。灵敏度(Sensitivity)测量中检测到的最小变化量。测量仪器最终的灵敏度决定于其分辨率和最小测量量程。参考文献224。5. 高的准确度和大型测量范围多数形貌测量系统交替使用量程的测量准确度。然而，工业上需要一种拥有大测量范围和高准确度的测量系统。虽然最近有一份令人鼓舞的报告，其中利用了边缘投影进行 4 m 大面积的形貌测量，但是在这方面必须做更多的研究。6. 传感器规划和测量系统的检定和最佳化系统检定和最佳化是令测量准确度达到 10-4 10-5 的关键因素。文献 79 显示了如何使用相同的系统最佳化以达到更高的准确度，文献 134 如何使用新型自检校实现数学估计准确度至接近 10-5 。传感器规划将有助于实现这些目标。文献 134 也提供了一种通过使用照相测量法消除标记的方法，这可更进一步地使三维光学方法应用于实际工业产品。光学测量三维形貌综述致谢感谢 T. Cook 、B. Bowman 、C. Xi 、E. Liasi 、P. Harwood 和 J. Rankin 提供实验装置、数据登记和处理、和测试结构。感谢 T. Allen 提供宝贵的意见。参考文献1. H. J. Tiziani, “Optical metrology of engineering surfaces scope and trends,” in Optical Measurement Techniques and Applications, P. K. Rastogi, Ed., Artech House, Boston (1997).2. I. Moring, H. Ailisto, V. Koivunen, and R. Myllyla, “Active 3-D vision system for automatic model-based shape inspection,” Opt. Lasers Eng. 10, 3-4 (1989).3. J. S. Massa, G. S. Buller, A. C. Walker, S. Cova, M. Umasuthan, and A. Wallace, “Time of flight optical ranging system based on time correlated single photon counting,” Appl. Opt. 37(31), 7298-7304 (1998).4. N. Abramson, “Time reconstruction in light-in-flight recording by holography,” Appl. Opt. 30, 1242-1252 (1991).5. T. E. Carlesson, “Measurement of three dimensional shapes using light-in-flight recording by holography,” Opt. Eng. 32, 2587-2592 (1993).6. B. Nilsson and T. E. 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