三维测量技术发展现状及趋势

1、三维测量技术发展现状及趋势三维测量技术发展现状及趋势引引 入入如何获取这些如何获取这些物体的三维信物体的三维信息呢？息呢？这就涉及到三这就涉及到三维测量技术。维测量技术。随着科技的反随着科技的反展，各种技术展，各种技术不断涌现，并不断涌现，并且在很多的领且在很多的领域得到应用。域得到应用。三维测量技术的分类三维测量技术的分类接触式测量接触式测量非接触式测量非接触式测量坐标测量机坐标测量机光学方法光学方法非光学方法非光学方法主动式主动式被动式被动式激光扫描法激光扫描法激光测距法激光测距法相位测量法相位测量法数字全息法数字全息法单目视觉法单目视觉法CT、STM、AFM双目视觉法双目视觉法应用领域应

2、用领域w 计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CAD/CAM)CAD/CAM)（如服装设计、工业检测等）如服装设计、工业检测等）w 逆向工程（逆向工程（RERE）w 快速原型（快速原型（RPRP）及虚拟现实（及虚拟现实（VRVR）( (如如自动导航，计算三维动画模拟等）自动导航，计算三维动画模拟等）w 医学（医学（ CTCT、MRIMRI等）等）坐标测量机（坐标测量机（CMM）坐标测量机是一种几何量测量仪坐标测量机是一种几何量测量仪器，它的基本原理是将被测零件器，它的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精密地放入它允许的测量空间，精密地测出被测元素上测量点的测出被测元素上测量点的

3、X X、Y Y、Z Z三个坐标值，根据这些点的数三个坐标值，根据这些点的数值经过计算机数据处理，拟合成值经过计算机数据处理，拟合成相关几何元素，如圆、球、圆柱、相关几何元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算得圆锥、曲面等，经过数学计算得出形状、位置公差及其它几何量出形状、位置公差及其它几何量数据。数据。它以精密机械为基础，综它以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。光学技术和数控技术等先进技术。坐标测量机（坐标测量机（CMM）坐标测量机（坐标测量机（CMM）w 德国德国Klocke公司的公司的3D-Nanofing

4、er是一款集纳米是一款集纳米级三维坐标测量与表面形级三维坐标测量与表面形貌测量为一体的综合测量貌测量为一体的综合测量设备设备w 1测量范围：（可选）测量范围：（可选） X=10,20,30或或50mm； Y=10,20,30或或50 mm Z=10或或20 mm 2移动分辨率：移动分辨率：1nm 3移动速度：最快达到移动速度：最快达到2 mm/s.探针分辨率：探针分辨率：0.5nm激光扫描法激光扫描法近年来随着激光技术的发展，近年来随着激光技术的发展，激光三角形法（激光三角形法（Laser-Laser-based triangulationbased triangulation）逐逐渐得到广泛

5、应用。它所采渐得到广泛应用。它所采用的光源主要有点结构、线用的光源主要有点结构、线结构和双线结构。它的基本结构和双线结构。它的基本原理是光学三角形原理。原理是光学三角形原理。激光三维扫描仪激光三维扫描仪其工作原理是使用激光三角其工作原理是使用激光三角测距原理，通过光源孔发射测距原理，通过光源孔发射出一束水平的激光束来扫描出一束水平的激光束来扫描物体。该激光线经过旋转平物体。该激光线经过旋转平面镜的作用，改变角度，使面镜的作用，改变角度，使得激光线发射到物体表面。得激光线发射到物体表面。物体表面反射激光束，每一物体表面反射激光束，每一条激光线都通过条激光线都通过CCD传感器传感器采集成一帧数据。

6、根据物体采集成一帧数据。根据物体表面不同的形状，每条激光表面不同的形状，每条激光线反射回来的信息中所包含线反射回来的信息中所包含表面形状和颜色数据。表面形状和颜色数据。激光三维扫描仪激光三维扫描仪主要用途：工业设计中采集转换研究设计之物件的主要用途：工业设计中采集转换研究设计之物件的CAD逆向工程：为原始部件实体，建立三维逆向工程：为原始部件实体，建立三维CAD数据；数据；用于计算机辅助工程设计分析的三维形状捕捉获取用于计算机辅助工程设计分析的三维形状捕捉获取（CAE和和FEA）；）；医疗应用：医学外科规划（上颔面，牙齿等整形外科）医疗应用：医学外科规划（上颔面，牙齿等整形外科）矫正和修补术，

7、塑料外科术运用，医学人体测量；矫正和修补术，塑料外科术运用，医学人体测量；数字化档案：博物馆，人工制品和古文物记录考古学，数字化档案：博物馆，人工制品和古文物记录考古学，人类学研究；人类学研究；在线质量控制检查，用于生产线上产品的质量控制（例在线质量控制检查，用于生产线上产品的质量控制（例如如CAI，CAT）；）；样品检查；工具和模具检查。样品检查；工具和模具检查。激光测距法激光测距法基本原理是直接测基本原理是直接测量光束的传播时间。量光束的传播时间。在测量时，目标脉在测量时，目标脉冲经反射回到接收冲经反射回到接收探测器，参考脉冲探测器，参考脉冲经光导纤维被探测经光导纤维被探测器接收。这两个脉

8、器接收。这两个脉冲的时间差转换成冲的时间差转换成距离。距离。也称时间飞行法也称时间飞行法自动扫描激光测距仪自动扫描激光测距仪主要技术指标：主要技术指标：1、激光器：波长、激光器：波长620nm690nm 出射功率：出射功率：1mW2、工作距离：工作距离：050m3、自动扫描范围：自动扫描范围：6904、测距精度：、测距精度：5mm相位测量法（相位测量法（PMP）相位测量法（相位测量法（PMP）),(),(yxIFvV 相位测量法（相位测量法（PMP）相位测量法（相位测量法（PMP）相移干涉测量术tInterferogramsNiiiiNiiiiIIa00cossintan相移干涉测量术相移干涉

9、测量术数字全息法数字全息法基本过程为：采用激光基本过程为：采用激光照射待测样品产生全息照射待测样品产生全息图，利用图，利用CCD记录全息记录全息图并以数字方式存入计图并以数字方式存入计算机，然后在计算机内算机，然后在计算机内模拟全息图的再现过程模拟全息图的再现过程得到以层析方式显示的得到以层析方式显示的三维物场，进而对三维三维物场，进而对三维物场进行定量分析、测物场进行定量分析、测量和三维重构。量和三维重构。数字全息法数字全息法CCDPZTBS1BS2BS3ObjectM1M2M3LPCLaser数字全息法数字全息法 昆虫翅膀的再现像昆虫翅膀的再现像记录的数字全息图记录的数字全息图单目视觉法单

10、目视觉法单目视觉法采单目视觉法采用摄像机得到用摄像机得到三维景物在光三维景物在光敏探测器上的敏探测器上的二维透视图像，二维透视图像，主要包括聚焦主要包括聚焦法和离焦法。法和离焦法。离焦法原理图离焦法原理图双目视觉法双目视觉法立体视觉的研立体视觉的研究主要由以下究主要由以下三部分组成：三部分组成：* 摄像机模型摄像机模型的建立和标定的建立和标定 * 立体匹配立体匹配 * 三维重建三维重建 双目视觉法双目视觉法Pp1O1C1p2C2O2ZXYOu2v2u1v1基本原理如图所示，基本原理如图所示，P为为空间任意一点，空间任意一点，p1、p2分分别为别为P点在摄像机点在摄像机C1、C2上的成像点，通过

11、立体视上的成像点，通过立体视觉计算即可由像点觉计算即可由像点p1、p2的坐标的坐标(ui,vi)(i=1,2)重建点重建点P的三维坐标的三维坐标(X,Y,Z)。在在这个重建的过程中，要解这个重建的过程中，要解决图像特征点的提取与匹决图像特征点的提取与匹配、摄像机标定和三维重配、摄像机标定和三维重建三个基本问题。建三个基本问题。 w 1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛宾尼（GBinning）和海罗雷尔（HRohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling MicroscoPe，简称STM）STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面

12、电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM)扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM)扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM) 扫描隧道显微扫描隧道显微镜是根据量子力学镜是根据量子力学中的隧道效应原理，中的隧道效应原理，通过探测固体表面通过探测固体表面原子中电子的隧道原子中电子的隧道电流来分辨固体表电流来分辨固体表 面形貌的新型显微面形貌的新型显微装置。装

13、置。扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM)根据量子力学原理，由于电子的隧道根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为度约为1nm。用一个极细的、只有原用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质被研究物质(称为样品称为样品)的表面作为两的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近个电极，当样品表

14、面与针尖非常靠近(距离距离1nm)时，两者的时，两者的电子云略有重叠，如图所示。若在两极间加上电压电子云略有重叠，如图所示。若在两极间加上电压U，在电在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I 。扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM)两种工作方式两种工作方式 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM)高序热解石墨的结构图像扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM)扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM)这是中国科这是中国科学院化学所学院

15、化学所的科技人员的科技人员利用纳米加利用纳米加工技术在石工技术在石墨表面通过墨表面通过搬迁碳原子搬迁碳原子而绘制出的而绘制出的世界上最小世界上最小的中国地图的中国地图 原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）AFM 的基本结构与 STM 相似, 差别在于差别在于并非利用电子隧道效并非利用电子隧道效应，而是利用原子之应，而是利用原子之间的范德华力（间的范德华力（Van Van Der Waals ForceDer Waals Force）作作用来呈现样品的表面用来呈现样品的表面特性。特性。原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间在原子力显微镜的系统中，是

16、利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：模式： （1 1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（子力显微镜（contact AFMcontact AFM），），探针与试片的距离约数个探针与试片的距离约数个 。 （2 2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（式原子力显微镜（non-contact AFMnon-contact AFM），），探针与试片的距离探针与试片的距离约数十到数百约数十到数百 。 小小 结结系统地介绍了物体三维信息测量的各种技术及其系统地介