现代光学三维测量原理

现代光学三维测量原理第1章光学三维测量的基础知识光学三维测量是利用光学原理收集物体表面三维空间信息的方法和技术，与传统的接触式测量相比是非接触式的。 近二十年来，随着光学技术、数码相机技术和计算机技术的快速发展，光学三维测量技术也不断发展，新的理论和方法不断被发现和开发，许多阻碍过去实用的问题逐渐得到解决。 在1994年国际光学学会信息光学年会上，首次将光学三维测量列为信息光学前沿的七个主要领域和方向之一。1.1光学测量的基本概念1 )光学测量单元333至354通过使用光学图像的测量，在图像处理分析中测量包括目标的位置、尺寸和形状与目标的相互关系的参数。2 )摄像测量单元通常不包括利用诸如全息干涉或网格线法之类特殊光学装置的光学测量。 使用航空照片和卫星照片的大地测量，有一种被称为照片测量的习惯。 近景摄影测量通常是指数十厘米到数十米的距离物体的摄影测量，通常属于三维测量的范畴。3 )光学三维测量单元可以利用光学装置和图像处理分析方法、使用计算机图形的理论数字化物体的三维形式并基于此获得物体的各个部分之间的任何相互尺寸关系。1.2三维光学测量常用方法光学三维测量的基本方法分为被动三维测量和主动三维测量。被动三维测量采用非结构光照明方式，根据被测量空间点在不同位置拍摄的像面上的相互匹配关系，计算空间点的三维坐标。 由于采用双照相机的系统与人眼的立体观看原理相似，所以该方法广泛地应用于三维对象的识别、理解、位置、形态的分析，即机器视觉(计算机视觉)领域。主动三维测量采用结构光照射方式，通过三维面形状对结构光场的调制，可以从具有三维面形状信息的观察光场解调三维面形状数据。 由于该方法具有较高的测量精度，因此以三维面形状测量为目的的三维测量系统大多采用主动三维测量方式。 结构光通常采用调制的扇面激光光源和以白光为光源的投影光栅方式，又称激光法三维测量和投影光栅法三维测量。 激光光源具有亮度高、方向性强、单色性好、易实现调制等优点，因此广泛应用于三维测量领域的白色光源结构光照方式具有成本低、结构简单的优点，尤其在面结构光照的三维测量中得到了越来越多的应用。1 .图像分析方法(Image Analysis Methods )一个物体在两个不同位置拍摄图像，指定物体的同一点在不同摄像面上一致的关系，从而得到物体空间点的三维坐标。 由于匹配精度的影响，图像解析法的形状记述主要通过形状上的特征点、边界线和特征来记述物体的形状，因此难以正确地记述复杂曲面的三维形状。2 .激光三角测量法(Laser Triangulation Methods )利用激光光源(点扫描或线状)在被测定物体的表面投影扇形的光面，与物体变化的表面和形成起伏的光带交叉，在处于与光源相对的位置关系的摄像系统中成像，根据物体、光源和成像系统的三角几何关系，在像面上的像点的相对位置分析物体空间点的坐标关系。 该方法具有环境光影响小、灵活、数据采集快等特点，广泛应用于三维测量，缺点是价格高。3 .结构光源方法(Structured Light Methods )使用光学投光器将一定图案的结构光(光栅等)投影到物体表面，在物体表面形成在被测定物体表面调制变形后的结构光图像，利用与投影光源处于相对位置关系的摄像系统进行拍摄，通过图像的处理和分析得到物体的表面三维形态数据。 该方法算法复杂，操作复杂，精度略低于激光法。4 .工业计算机断层摄影法(Industrial Computer Tomograph )工业计算机断层扫描(简称ICT )在对产品实物进行ICT断层扫描后，得到了一系列断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了物体断面轮廓和内部结构的完整信息。 ICT的最大特征是能够测量物体内部的截面信息，因此能够适用任意的形状构造，但测量精度低。1.3数字图像的基本知识1 .数字图像的数学表示该图像是视觉系统能感觉到的信息形式，该信息是在客观世界中反射或透射的某种放射能量在空间上分布的记录，这些放射能量可以是x射线、红外线、可见光、超声波等。 图像记录的内容与放射线源的照度、波长以及物体的反射和投影能力有关。典型的图像的主要测量特征是光照的强度和颜色，并且一个反射的强度图像(也称为灰度图像或者黑白图像)可以由