三维测量技术及设备解读

三维测量技术及设备

1,三维测量技术的发展

计算机视觉是研究视觉信息的认知过程，从信息处理层次角度来分析，包括视

觉信息处理中的计算理论、表达与方法。二十世纪中期，计算机视觉这一领域开始

被人们所关注和研究，然而直到理工学院的Mary教授在70年代后期才提出了较为

全面的计算机视觉系统，他是从信息处理的角度来分析，并且参照了图像处理、心

理物理学、神经生理学和临床精神病学的研究成果，这一概念的提出，使得计算机

视觉的发展应用开始流行。从信息处理方面来看,Mary教授为计算机视觉系统的研

究分为三个层次，首先是在以低层视觉处理方式为基础处理输入的原始图像时，要

使用图像处理技术；然后是在获取场景的深度信息时要采用中层视觉处理方式：最

后是通过高层视觉处理方式来识别特征点，并且以此来确定被测物体的相对位置

等。

二十世纪八十年代，计算机视觉的研究进入鼎盛时期，越来越多的研究者开始

关注这一领域。近年来，在针对几何计算机视觉的研究中，人们提出了通过由多幅

图像序列按照不同的理论和算法，可以将三维物体的形状和摄像机的运动状态计算

出来，这一概念的提出把射影几何等复杂的数学内容引入到计算机视觉中，从而形

成了所谓的“多视图几何较好的描述了视觉中物体的粗细特征，降低了对计算机视

觉系统中摄像机参数要求，因此提高了计算机视觉系统对噪声的鲁棒性。在图像三

维测量研究中，发达国家的研究开始的比较早，如美国、德国、加拿大、曰本等，

从五十年代计算机视觉系统的较为全面的提出，这些发达国家经过十多年的科学研

究，已经提出了许多比较新颖的测量原理和方法，我国对计算机视觉方面的研究相

对较晚一些。现今三维测量方法主要可分为主动式和被动式，主动式主要通过使用

专门的光源照射被测物体，例如相位测量法，结构光测量技术等；而被动式主要依靠

物体周围的光线，例如摄影测量法等2007年10月24日，我国自主研发的“嫦娥一

号”绕月人造卫星成功发射，卫星装备有一台三线阵CCD推扫立体相机，该相机的主

要功能是为了获取月球表面的三维影像，构建立体相机扫描成像模型.

2<>三维测量方法及其原理

2.1接触式扫描仪

接触式测量是三维面形测量的最为传统的方法，它所采用的典型的装置就是三

坐标测量机。它以精密机械为基础，综合了光电技术，计算机技术和数控技术等。

三坐标测量机的工作原理是：通过对零件表面点的测量来获得零件形面上零散点的

几何信息，然后通过计算，还原出零件形面的几何信息，并在这些信息的基础上，

计算出零件中的几何元素尺寸和形位公差.

只是随着科技的不断进步，其中的许多方法我们已经不再使用，但是，它们是

我们在三维测量领域取得更大发展的坚强基石。在此列出，仅供对三维测量发展历

程的了解之需。我们要主要介绍的就是目前应用较多的测量方法和技术，以及与之

相关的部分内容.它以精密机械为基础，综合了光电技术，计算机技术和数控技术

等。三坐标测量机的工作原理是：通过对零件表面点的测量来获得零件形面上零散

点的几何信息，然后通过计算，还原出零件形面的几何信息，并在这些信息的基础

上，计算出零件中的几何元素尺寸和形位公差。

2.1.1高精度测量机

在高精度化方面，Nikon的TRAISTATIONSH830型CNC三维测量机最为引人

注目,其总体造型为高刚性龙门式结构，X、Y、Z三轴全部采用陶瓷材质的导轨，并

采用不会因X向运动而对Z轴导轨(测头)产生螺旋扭矩的特殊结构，于是其空间

测量精度误差UW(1.8+2L/1000um),为这一级别测量机的最高水准.对环

境温度要求由传统的20℃±0.5℃放宽到20℃±2℃,大幅度提高了测量机的环

境适应能力.

2.1.2高速测量机

在高速化方面，最受瞩目的当属卡尔蔡司公司的UPMC型高速扫描（HSS）三坐

标测量系统。该系统采用了新型万能3D测头，可实现对测点的高速检测和对测量

力的向量控制。与传统的“测点-测点”的探测方法相比，在同一时间内可测取100

倍于传统方法的测点数据.例如，用传统的接触式测头测量。50的孔径时，测4

点需要耗时10s,而在同样的10s内，HHS系统可获取1000个点的测量数据。

2o1.3耐环境型测量机

卡尔蔡司公司的UMC型、UPMC型及ZMC型三坐标测量机，全部采用了温度

补偿专用软件“CAA”，计算机辅助精密化）。利用温度传感器分别准确的测出X、Y、

Z三轴所有准标尺及工件的温度，由专用软件CAA在测量机开始工作时自动的读

出这些温度值。在测量机正式工作时，对由于测量机实际工作环境温度偏离标准温

度（20℃）而造成的测量误差，会自动的进行线性补偿，从而增强了三坐标测量机

对环境的适应能力，即其实际的工作环境温度范围可放宽到15℃~30℃.可见，其使

用范围不限于实验室，而且可以直接走向生产现场。

除上述之外，还有“兰颗苔辣蒿布匈”开发的可用于长1m、重1t的大型组件、

曲轴的圆度、圆柱度等几何的测量，是面向汽车制造业的新产品。由Mitntoyo开

发的新产品--“CV-L426”型非球曲面测量机，是超高精度轮廓测量的理想设备，

在对眼镜的镜片、视频投影设备镜面等非球形曲面进行测量时，其分界率为0o025

Um（Z轴）、0.1口m（X轴）、测量压力为30N.日本“东京精密”与工业技术计

量研究院共同开发的激光跟踪三坐标测量机的测量范围可达5mX5mX3m,坐标精

度为5~10口m,被测物体最高允许速度为500mm/s.

三坐标测量机的测量系统是将测量信息、测量脉冲生成程序“Geo—Teacher”

与市售的AutoCAD结合起来在微机上运行的测量软件。其示意图如图2.2所示：

三坐标测量机的有关技术已经走向成熟，已经由实验室走向企业，不再是企业炫耀

的装饰性奢侈品，而是实实在在的生产设备。三坐标测量机的优点表现在：测量精

度高，可以对复杂工件形状进行测量。其缺点也是很明显的，顾名思义，这种测量

方法要求测头与被测物体表面接触，这样就导致测量速度慢，从而影响测量效率；而

且，测量的灵敏度也不高，不能实现对柔软物体的测量；另外，由于三坐标测量机的

机械结构复杂，对工作环境有较高的要求，必须采取一些防雾、防尘、恒温等措施。

这些都抑制了三坐标测量机的进一步推广使用。

2o2非接触式扫描仪

非接触测量主要分为两类：一类是光学方法，另一类是光学外的其它方法。光

学测量法又可以分为主动测量法和被动测量法.前者是指对被测物体投射特定的结

构光，使之被物体调制，再经过解调得到物体的三维信息。后者则是在自然光照明

下，通过一定技术检测出物沐的三维信息。两者的区别在于是否引进专门的光源进

行照明。典型的被动测量系统是采用两个或多个摄像机获得不同视觉方向的二维视

图，通过这些困像的视差，运用相关或匹配运算可以重建出物体的三维表面。该方

法的关键是对应点的匹配算法，计算量通常较大，当被测物体表面各点反射率无明

显差异时，对应点匹配变得很难实现.主动测量法通过引入预定的光源大大提高了

测量的精度、准确度、速度和可靠性，从而使实用的三维精确成像成为可能。而主

动光照明的典型的测量方法是结构光法.

2o2.1激光视觉检测一主动三角法

激光具有方向性好、亮度高等优点，利用激光做光源来获取结构光的主动视觉

检测就应运而生.激光非接触测量头采用CCD技术和激光技术，运用三角原理进行

设计。单点式激光三角法采用直射式和斜射式两种结构。

直射式

a0

激光光束经透镜聚焦后垂直入射到被测物体上，物体的移动或表面变化将导致

入射点沿入射光轴移动，接收透镜接收到来自入射光点的散射光，并将其成像在光

电位置探测器敏感面上。

bo斜射式

激光器发出的光与被测面的法线成一定角度入射到被测面上，同样用一透镜接

收光点的被测面的散射光和反射光，若光点的像在探测器敏感面上移动x',则物

体表面沿法线方向的移动距离激光视觉测量的基本原理：用激光作光源可以产生各

种结构光：点结构光、线结构光和多线结构光（面结构光）。用一个或多个CCD摄

像机来接收，通过一定算法来获取结构光所携带的被测物体的三维信息。其中：线

结构光测量技术以其固有的非接触性、高精度、高速度、易于实现自动化等优点而

被经常采用。试验结果表明：所开发的线扫描测量机具有较大的测量范围、较高的

精度和测量速度，具有很高的实用价值。所用的线结构光视觉传感器工作原理如下：

半导体激光器产生的激光经柱面镜变成线结构光，投射到被测区域形成一条激光

带，用面阵CCD摄像机接收散射光，从而获得表面被照区域的截面形状或轮廓.

2o2o2结构光三维测量方法

结构光三维测量方法主要思想为利用照明中光的几何结构来获取景物三维信

息.适用于图像中场景变化较为缓慢，没有太多特征，在这种条件下，分析和处理

图像时采用结构光可以形成比较清楚的光条纹，以此来获取三维信息。

结构光三维测量技术的主要过程为：测量系统发射光能量于被测物体表面，通

过光反射得到特征点的投射角度，然后根据摄像机定标出的空间方向和位置参数，

基于三角法测量原理计算特征点与相机镜头主点之间的距离，完成物体三维测量。

结构光三维测量技术按照所采用的光源形式，可以分为点结构的激光扫描技术，线

结构的光带扫描技术，全场方式的面结构光技术。激光器用来产生平面激光束，并

且保证投射方向与激光平面平行，在被测物体上形成光条纹带，图像中特征点就在

这个条纹上，此时，物体可以看成是一维的，从而对应点的匹配计算更为方便。结构

光三维测量方法的优点是所用仪器体积较小，价格较低，容易操作，测量方法简单

等，常用于三维轮廓测量；然而测量时，测量精度会受到物理光学的限制，测量中

存在遮挡问题。

2o2.3莫尔条纹三维测量法

根据粗光栅阴影效应，通过测定物体等高线技术，莫尔条纹三维测量法把被测

景物的深度值包含在被测景物表面产生的条纹中，然后再分析计算得出被测景物三

维信息.莫尔条纹三维测量法主要包括以莫尔轮廓法为基础建立的影像莫尔法、投

影莫尔法和扫描莫尔法等，该方法以基准光栅为核心器件，测量中放在靠近被测物

体表面处，用点光源或者平行光源照射基准光栅，然后通过基准光观察物体，形成干

涉条纹。

2.2.4傅立叶变换轮廓法

傅立叶变换轮廓法的基本原理为投影光通过光栅产生结构光并映射在待测的

三维景物表面，然后在空间频域和空间信号域内，对映射的光栅图像进行傅立叶变

换和数据分析处理，提取三维表面信息相比于传统的莫尔三维测量法，该方法具有

更高的灵敏度，并且会自动区分景物表面的不规则变化，同时没有条纹阶次和内插

数的设置要求，不会产生由光栅图形的高次谐波成分产生的假的莫尔条纹所引起的

误差.但是本方法的缺点为，对于斜率较大的景物三维测量时，图像设备分辨率要求

非常高，而且必须运用运算能力较大的计算机.

2o2.5单目视觉三维测量法

二维图像作为三维景物的透视，其中包含着很强的三维暗示.单目视觉三维测

量方法采用单摄像机，实验结构简单，可以同时测量不同深度的多个目标点。单目视

觉三维测量法主要通过聚焦法和离焦法来获取二维图像聚焦法的基本原理是通过

调节摄像机的像距，使摄像机相对于被测点处于聚焦的位置，并把摄像机的像距和

焦距视作已知，通过透镜成像公式求得物距.调焦的精度是该方法的关键之处，误差

的产生是由调焦过程中的离焦所引起，实际运用中要注意避免。该方法的优点为原

理和结构比较简单，缺点为镜头的景深和焦深会限制测量精度，深度区域的不同需

要不同的聚焦获取多幅图像，测量时间比较长。

2.2.6双目视觉三维测量法

双目立体视觉原理：人类在获取三维信息的各种方式中，双目视差和运动视差

是最重要的两种方式。双目视差主要是指双眼看到同一物体的不同映像，而运动视

差主要指是头部运动时看到同一物体的不同映像。视差产生了立体感，人的两眼间

距平均约为605cm,在观看景物时，由于观看角度的细微差别使得两眼看到的物体

存在微小的差别。这种微小差别反映给大脑综合计算来感受精确地三维物体，这就

是具有深度的立体感.双目立体成像系统的工作就是产生存在视差的两幅立体图像

对，分别代表左右眼观看的图像.而立体显示系统就是模拟双目立体视觉，保证在

工作时左眼只看左图像，右眼只看右图像，从而产生立体感。

3.总结

接触式扫面仪和非接触式扫描仪都有各自的优缺点，如非接触式具备优点如

下：1）测量速度快；2）不需进行侧头半径补偿；3）可测量易柔，易碎，不可接触，

薄壁件等工件;4）不损伤工件表面精度等。缺点如下：1）测量精度不高，特别是是

工件与测头不垂直时误差较大；2）较难测量特定的几何特征和陡峭面；3）工件表面

质量而测量精度影响较大。因此，需要根据实际的情况选择接触式或非接触式扫描

仪，并且实验所用的双目立沐视觉三维测量方法被常用于制造现场的质量控制和在

线非接触测量，具有精度好、工作效率高、成本低和结构简单等优点，尤其是在运

动物体测量中，图像获取往往需要瞬间完成，因此双目立体视觉三维测量方法是一

种更为有效的测量方法.

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