光学三维测量技术与应用

1、光学三维测量技术与应用 梁飞飞梁飞飞13588261149 2 2目录第一章 三维测量技术概述第二章 航空三维激光扫描第三章 三维激光扫描技术的应用梁飞飞梁飞飞 1388261149 1388261149 梁飞飞梁飞飞13588261149 9 9梁飞飞梁飞飞135882611493 3前言 光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于主要用于对物对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，体空

2、间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。随着经济的发展和获得物体表面点的三维空间坐标。随着经济的发展和科技的进步，光学三维测量技术由于科技的进步，光学三维测量技术由于非接触、快速测非接触、快速测量、精度高量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用，业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用，其中其中三维激光扫描技术三维激光扫描技术发展的最为成熟，应用也最为发展的最为成熟，应用也最为广泛。广泛。 梁飞飞梁飞飞135882611494 4 三维测量技术是

3、三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标获取物体表面各点空间坐标的技术，的技术，主要包括主要包括接触式接触式和和非接触式测量非接触式测量两大类。两大类。三维测量技术概述三维测量技术概述三维扫描测量仪三维扫描测量仪梁飞飞梁飞飞135882611495 51.11.1接触式测量接触式测量 物体三维接触式测量的物体三维接触式测量的典型代表是三坐标测典型代表是三坐标测量机量机 (CMM (CMM，Coordinate Measuring Machine)Coordinate Measuring Machine)。它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、它以精密机械为基础，综合

4、应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。缺点寸、形状和相对位置进行高精度的测量。缺点是是测量速度慢，对环境要求较高。测量速度慢，对环境要求较高。 梁飞飞梁飞飞135882611496 67 71.21.2非接触测量法非接触测量法 非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以以远距离非破坏性远距离非破坏性地对待测物体进行测量，图地对待测物体进行测量，图1 1出出非接触式三维测量技术中常用的三种电磁波谱和非接触式三维测量技术中常用的三种电

5、磁波谱和主要的测量技术。主要的测量技术。梁飞飞梁飞飞135882611498 81.2.11.2.1常用的非接触式三维测量波谱常用的非接触式三维测量波谱9 91.2.21.2.2常用的光学三维测量基本原理常用的光学三维测量基本原理 常用的光学三维测量基本原理有常用的光学三维测量基本原理有 3 3 种种 ：飞：飞行时间法、干涉法和三角法行时间法、干涉法和三角法 ( ( 见图见图 1) 1)。 飞行时间法飞行时间法 ：飞行时间法是：飞行时间法是基于三维面形对基于三维面形对结构光束产生的时间调制，结构光束产生的时间调制，一般采用激光，通过一般采用激光，通过测量光波的飞行时间

6、来获得距离信息测量光波的飞行时间来获得距离信息，结合附加，结合附加的扫描装置使光脉冲扫描整个待测对象就可以得的扫描装置使光脉冲扫描整个待测对象就可以得到三维数据。到三维数据。 以对信号检测的以对信号检测的时间分辨率时间分辨率来换取来换取距离测量距离测量精度精度，常用于，常用于大尺度远距离大尺度远距离的测量。的测量。梁飞飞梁飞飞135882611491010 干涉法干涉法 ：干涉测量是将一束相干光通过分光系统：干涉测量是将一束相干光通过分光系统分成分成测量光和参考光测量光和参考光，利用测量光波与参考光波，利用测量光波与参考光波的的相干叠加相干叠加来确定两束光之间的来确定

7、两束光之间的相位差相位差，从而获，从而获得物体表面的得物体表面的深度信息深度信息。 特点：测量精度高但测量范围受到光波波长的限特点：测量精度高但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表面的制，只能测量微观表面的形貌和微小位移形貌和微小位移，不适，不适于大尺度物体的检测。于大尺度物体的检测。梁飞飞梁飞飞135882611491111 光学三角测量法光学三角测量法 ：光学三角法是：光学三角法是最常用最常用的一种光的一种光学三维测量技术，以传统的三角测量为基础，通学三维测量技术，以传统的三角测量为基础，通过过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度变化待测点相对于光学基准线偏

8、移产生的角度变化计算该点的深度信息。计算该点的深度信息。 梁飞飞梁飞飞1358826114912122.航空三维激光扫描 三维激光扫描系统按照扫描平台的不同分为三维激光扫描系统按照扫描平台的不同分为 ：航航空激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式空激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。激光扫描系统。 航空激光扫描系统一般采用航空激光扫描系统一般采用激光测距原理激光测距原理，辅以，辅以扫描系统获取所需的三维信息，系统主要由激光扫描系统获取所需的三维信息，系统主要由激光测距系统、光电扫描仪及控制处理系统等组成。测距系统、光电扫描仪及控制处理系统等组成。梁

9、飞飞梁飞飞1358826114913132.1激光测距原理目前最常用的激光测距法有目前最常用的激光测距法有脉冲法脉冲法和和相位法相位法。 脉冲式激光测距原理脉冲式激光测距原理：z=ct/2 ，其中，其中C为光速，为光速，t为间隔时间。为间隔时间。相位激光测距原理：相位激光测距原理：从测距仪发出的光波经反射器从测距仪发出的光波经反射器反射再返回测距仪，然后由测距仪的测相系统对光反射再返回测距仪，然后由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量，经过计算后可以波往返一次的相位变化进行测量，经过计算后可以得到距离信息。这种测距仪都配置被称为合作目标得到距离信息。这种测

10、距仪都配置被称为合作目标的的反射镜，反射镜， 一般应用于精密测距中。一般应用于精密测距中。 梁飞飞梁飞飞1358826114914142.2航空三维激光扫描1515 航空三维激光扫描与摄影测量技术是航空三维激光扫描与摄影测量技术是将三维激光扫描将三维激光扫描仪和航空摄像机装载在飞机上，利用激光测距原理和航空仪和航空摄像机装载在飞机上，利用激光测距原理和航空摄影测量原理，快速获取大面积地球表面三维数据的技术摄影测量原理，快速获取大面积地球表面三维数据的技术。通过基于全球定位系统通过基于全球定位系统(GPS) (GPS) 和惯性测量装置和惯性测量装置 (IMU) (IMU

11、) 的机载定位定向系统的机载定位定向系统(POS) (POS) 联接，构成当今世界上摄影测联接，构成当今世界上摄影测量与遥感领域最先进的量与遥感领域最先进的 LIDAR (Lisht Detection and LIDAR (Lisht Detection and Ranger) Ranger) 对地观测系统。对地观测系统。 航空三维激光扫描系统一般由四个子系统组成航空三维激光扫描系统一般由四个子系统组成：激光雷达发射接收系统，定位系统，数据获取、控制、激光雷达发射接收系统，定位系统，数据获取、控制、显示系统，基于地面的数据处理系统。显示系统，基于地面的数据处理系统。梁飞飞梁飞飞 135882

12、61149 1358826114916163.三维激光扫描技术的应用 光学三维形状测量技术的应用范围很广，从传统的光学三维形状测量技术的应用范围很广，从传统的制造业到新兴的三维动画产业和虚拟现实领域等。制造业到新兴的三维动画产业和虚拟现实领域等。梁飞飞梁飞飞1358826114917173.1服装制作 三维扫描仪可以快速地测得人体的外形尺寸，获得其立体彩色模型，三维扫描仪可以快速地测得人体的外形尺寸，获得其立体彩色模型，把这些数据与服装把这些数据与服装 CAD CAD 技术结合，可以在计算机中的数字化人体模技术结合，可以在计算机中的数字化人体模型上，按每个人的具体尺寸

13、进行服装设计，设计出最合适的服装，并型上，按每个人的具体尺寸进行服装设计，设计出最合适的服装，并可以直接在计算机上观看最终的着装效果。可以直接在计算机上观看最终的着装效果。18183.2航天飞机外形检测 为航天器发射安全，美国特别制为航天器发射安全，美国特别制定防止发射时热防护系统被破坏的定防止发射时热防护系统被破坏的研究计划。发现者号携带一种新的研究计划。发现者号携带一种新的外部检测系统，该系统能检测出宇外部检测系统，该系统能检测出宇航飞机外壳热防护面小于毫米尺寸航飞机外壳热防护面小于毫米尺寸的破坏点。这种外部检测系统是由的破坏点。这种外部检测系统是由加拿大加拿大 Neptec Neptec

14、 公司研制的三维激公司研制的三维激光扫描仪，它采用光扫描仪，它采用 1500nm 1500nm 的激光，的激光，不受光照条件变化的影响，工作不不受光照条件变化的影响，工作不受昼夜限制。受昼夜限制。19193.3地形地貌测量 航空三维激光航空三维激光扫描技术可以扫描技术可以用于地面的航用于地面的航空遥感定位和空遥感定位和影像获取，还影像获取，还可实时得到地可实时得到地表大范围内目表大范围内目标点的三维坐标点的三维坐标，同时，它标，同时，它也是也是目前唯一目前唯一能测定森林覆能测定森林覆盖地区地面高盖地区地面高程的可行技术。程的可行技术。2020 光学三维测量技术的主要特点是光学三维测量技术的主要特点是实时性、主实时性、主动性、适应性好。动性、适应性好。光学三维测量数据经过简单的光学三维测量数据经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的数据后处理，处理就可以直接使用，无需复杂的数据后处理，由于无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境由于无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用；三维激光扫描技术和下应用；三维激光扫描技术和 GPS GPS 等技术结合起等技术结合起来形成的航空三维激光扫描技术，可以直接获取来形成的航空三维激光扫描技术，可以直接获取真实地表的高精度三维信息，具有传统摄影测量真实地表的高精度三维信息，具有传统摄影测量方法无法取代