三维测量技术学习报告

1、三维图像测量技术学习报告309040630韩静2010年7月3日至4日，于学术交流中心第二报告厅听取了来自福冈工业大学的卢存伟教授的三场学术报告会，了解和学习了三维图像测量技术的相关理论及应用领域方面的知识，现将学习总结详述如下。报告主要包括三个方面：一、三维图像测量技术的基本方法和现存问题；二、三维图像测量技术系统的开发；三、三维图像测量技术的技术应用。最后卢老师还给我们介绍了日本的教育情况和在日本留学所注意事项。一三维图像测量技术的基本方法和现存问题3D图像测量技术，简而言之，即可分为输入、处理、输出三部分的研究：将现实的各种信息通过传感器等设备转化成图像数据；通过模式识别、图像处理等方式

2、提取出其中的有用信息；最后将输出的结果通过3DCG、3DTV等方式直观表现出来。而卢教授所做的研究主要是输入方面的，即研制一相机设备，拍摄物体后形成三维图像信息输入计算机。三维检测的基本原理很简单，就是基于三角测量的原理，即相对被测点P有两个测量点A,B,并相对的有两个测量角，如下图：P(X,Z)图1基于三角测量原理的3D检测故可得被测点距离dtana+tan卩原理是相对简单的,但难点在于,如何让计算机寻找到被测物体上的对应点,即寻找点P。一种方法是双目视差法，即利用两台或多台相机，拟人眼的双目视差原理得到3D信息。但这样做的缺点在于，测量的图像匹配起来困难，并且只能测量特征点，而对于无特征点

3、很难测量。故卢教授想到利用投影测量法，即在图1中对应A点放置一投影仪，B点放置一相机，通过投影的方式在图像上找到点P,原理图如下：图2投影法测量系统人们通过对投影测量法的不断研究，得到以下几种不断进化的方案：点投影、线投影、结构光投影、强度调制等等。这几种方案实现了从零维到三维信息的不断推进，并且计算需时不断缩短，且能测量无特征物，但仍存在一定缺陷，需进行多次计算，时间长，无法测量非静止物，且需使用激光，有公害。Intensity图3强度调制的投影图及条纹的空间分布基于这些方法不足的考虑，卢教授通过多年潜心研究，研发出一套最优化投影测量系统。简单说来，就是将条纹通过最优化的投影光强度组合错开，

4、这样做的好处在于，一次可以投影多条条纹，并且相邻条纹的强度差较大，方便计算。、,.乙kI-I(1)12Njii-ji=M+1j=1其中，加权系数：(2)k=exp(M-j)j=l,.，Mj然而如果只按照上述公式(1)的方法计算，计算量是十分之巨大的，一副普通的图像计算机需花费上百年甚至上亿年的时间，故这个函数只是理论上可行，并不具有实际操作性，所以需要对评价函数进行一定的数学优化。通过不断的尝试计算，卢教授最终得到一个行之有效的计算公式，需时很短，即最优化强度调制投影光(OIMP)的计算函数：1I甘I.I甘1.IL(k)=1ww-w一i1a2.a3.a如此，可快速有效的测量物体上的各对应点的三

5、维距离。最优化投影法是目前较为先进的三维图像测量技术，实现了可对无特征物以及非静止物的测量，且只需投射一次，具有巨大的优越性，但其仍有一定的缺陷，即需使用投影仪，故无法在室外等光强很大的场合使用。需特别指出的是，投影光一般选用黑白条纹而非彩色条纹，原因在于，彩色投影在物体上，由于物体的本色会对反射光造成混淆，很难分离。尽管如此，彩色由于含有RGB三原色，信息量极其丰富，可一次投射比黑白条纹多得多的条纹，故具有诱人的开发潜力，可作为日后人们研究的一个重要方向。最后，总结一下上面提到的几种测量方法，及各种优缺点表13D图像测量方法的比较技术特长残留问题被动法：双目视差测量利用二台或多台相机，模拟人

6、眼的方式得到3D信息，可测非静止物图像的测量与匹配困难；只能测量特征点，不适用于无特征物主动法：结构光投影投影条纹等，利用几何变形计算，可实现无特征物的测量需进行多次投影，时间长；无法测量非静止物；使用激光，有公害最优化投影可实现无特征物的测量；只需投影一次，需时短；可测非静止物使用投影仪，在室外等光强较大的场合不适用可见，每一种测量方法都有各自的特长和存在问题，最优化投影法也不是万能的，在具体的实践过程中，还需根据实际情况选取合适的测量技术。二三维图像测量技术系统的开发硬件包括：投影仪、相机、计算机。这里涉及到各种图像技术、光学技术、电子及计算机技术。软件语言环境：C语言。软件构成：投影光生

7、成（离线最优化，投影条纹可分开设计好了进行实验，并不是实时设计），图像输入（接口、编程、速度），条纹抽出（各种图像处理技术，编程技术），三维坐标计算（编程技术），立体显示（3DCG）,各种应用功能（三维图像技术，编程技术）。图5是我从卢老师他2009年发表的论文中找来的，很直观地可以看出经过测量的物体，数据经过整理后通过3DCG表现出来的样子，精确度还是很高的。近来他们课题组还有在研究若使用彩色条纹应该如何操作，如果一旦试验成功，将比现在的灰度条纹投射更好。三三维图像测量技术的应用3D图像测量技术的应用十分广泛，涉及的领域也非常广阔，包括测量地面、地表状况；建筑物、桥梁；车体、船体；物体表面的

8、平坦度；液面状态、形状；人体、皱纹；医学、美容；半导体热变形；加工、组装；飞行状态；文物保护；3D博物馆、3D电影。卢教授的研究室已经开发出了一整套完整的系统，并且投入生产实践中，他们所作的研究主要应用在以下方面：3D相机，全自动3D测量仪。超高温物体的表面形状实时监测。由于超高温物体的表面温度会被气流所影响，这需要超高温物体图像输入和处理技术；而对于超大型物体，一枚图像无法高精度实现，这需要多次摄影，并进行图像合成。同时，在实践过程中，教授们遇到了理论实验时未曾涉及到的问题，即温度的不同变化会引起形状变化，这些都需要具体操作中逐一解决。汽车表面损伤检测。建筑物3D测量。人体头颅3D形状实时测

9、量。对于人体头颅形状的3D再现，这在医学界，尤其是美容行业是非常受用的。自动控制领域的应用。总体说来，3D图像测量技术可以实现非接触的、高速、高精度的检测，这是一大进步，但是，它对于看不见的物体无法检测。例如，3D技术无法测量高空飞行的飞机飞行姿态。当然，3D图像测量技术还有其他的应用：水面形状的检测，可用于气象监测、天气预报、安全监视；玻璃表面形状、平坦度的检测，可应用于质量保证体系；火焰形状的检测，可用于燃烧评价、燃料开发；子弹、高尔夫飞行轨迹的监测；爆炸瞬间的动态检测。最后，卢老师还介绍了日本有名的几所大学，和我们学校在他那的留学生状况。报告总共有三次，为期一天加一下午，很好的向我们展示了这一项国际顶尖的技术。从早期的点、线、结构光投影到