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重磅干货，第一时间送达 本文转自|AI算法和图像处理 ：随着现代科学技术的发展，光学三维测量在越来越广泛的领域发挥了重要作用。本文主要介绍了接触式三维测量和非接触式三维测量。重点介绍了光学三维测量技术的各种实现方法和原理。最后，简要介绍了当前光学三维测量的应用。
随着科学技术和工业的发展，自动化生产、质量控制、机器人视觉、反向工程、CAD/CAM生物医学工程的应用越来越重要。传统的接触式测量技术具有测量时间长、头半径补偿、弹性或脆性材料无法测量等局限性，无法满足现代工业发展的需要。
光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。光学测量主要应用在现代工业检测。借用计算机技术，可以实现快速，准确的测量。方便记录，存储，打印，查询等等功能。
光学三维测量技术是集光、机、电、计算机技术于一体的智能可视化高科技技术。主要用于扫描物体空间的形状和结构，获得物体的三维轮廓和物体表面点的三维空间坐标。随着现代检测技术的进步，特别是激光技术、计算机技术和图像处理技术的发展，三维测量技术逐渐成为研究的焦点。光学三维测量技术广泛应用于机械、汽车、航空航天等制造业、服装、玩具、制鞋等民用工业。
三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量。如图1所示。
图1.三维测量技术分类
坐标测量机是物体三维接触测量的典型代表(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM它是一种基于精密机械、电子、计算机、光学、数控等先进技术的大型精密三坐标测量仪器[1]，可以高精度测量三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置。
三坐标测量机作为现代大型精密综合测量仪器，具有明显的优点，包括：（1）灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便测量各部件的三维轮廓尺寸和位置参数；（2）测量精度高、可靠；（3）数字操作和程序控制方便，智能程度高。
早期的坐标测量机大多使用固定刚性测头，它最为简单，缺点也很多[2]。主要是(1)测量时，操作人员用手的感觉保证测量头与工件的接触压力，往往因人而异，难以定量描述读数；(2)刚性测量头为非反馈测量头，不能用于数控坐标测量机；(3)测量头半径必须进行三维补偿，才能获得真实的物理表面数据。针对上述缺陷，人们开发了各种电感和电容反馈微位移测量头，解决了数控坐标测量机自动测量的问题，但测量头与被测物体之间仍存在一定的接触压力，软物体的测量必然导致测量误差。此外，测头半径的三维补偿仍然存在。三维测量头的出现可以相对容易地解决测量头半径三维补偿的问题，但三维测量头仍有接触压力，不能测量不可触及的表面（如软表面、精密光滑表面等）。，测量头的扫描速度受机械限制，测量效率很低，不适合大规模测量。
随着近年来光学和电子元件的广泛应用，非接触式测量技术得到了发展。其测量基于光学原理，具有效率高、无破坏性、工作距离大等特点，可静态或动态测量物体。该技术在产品质量检验和工艺控制中的应用，可以大大节约生产成本，缩短产品开发周期，大大提高产品质量，深受人们的青睐。半导体激光器等各种高性能器件LD、电荷耦合器件CCD、CMOS图像传感器和位置敏感传感器PSD新型三维传感器不断出现，其性能也大大提高，光学非接触测量技术发展迅速。
非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以远程非破坏性测量物体。其中，光学非接触测量是非接触测量的主要方法。
根据获取三维信息的基本方法，光学非接触式三维测量技术可分为被动式和主动式两类。如图2所示[3]。
主动式是利用特殊控制光源（称为主动光源）照射被测物体，根据主动光源的已知结构信息（几何、物体、光学）获取景物的三维信息。被动式是在自然光（包括室内可控照明）条件下通过相机等光学传感器获取的二维灰度图像获取物体的三维信息。
图2.光学三维测量方法分类
由于被动无控主动光源，不需要复杂的设备，接近人类的视觉习惯。被动测量技术主要用于不能使用激光或特殊照明的场合，或因保密需要的军事场合。距离信息一般从一个或多个摄像系统获得的二维图像中确定，形成单目视觉和多目视觉的三维表面数据。当信息从摄像系统获得的二维图像中确定时，人们必须依靠物体形态和光照条件的先验知识。如果这些知识不完整，深度计算可能会出错。通过相关或匹配的操作，可以从两个或多个摄像系统获得的不同视觉方向的二维图像中重建物体的三维表面。这种计算变得更加复杂，当被测目标的结构信息过于简单或过于复杂，被测目标上的反射率没有明显差异。
以两个相机为例，双相机系统也被称为双眼视觉系统。双眼视觉系统的几何关系非常简单和清晰，但由于掩盖或阴影的影响，被测对象的某些部分可能只出现在三维点对的观察点上。有时CCD由于能量被物体表面大量吸收，图像传感器无法获得足够的能量，物体反射的能量可能会出现假对应。因此，被动三维传感方法常用于识别、理解和分析三维目标的位置和形式。该方法的系统结构相对简单，广泛应用于机器视觉领域。三维视觉的基本几何模型如图3[4]所示。
双目立体视觉 (Stereo Vision)三维坐标值根据同一空间点在不同位置的两个相机拍摄的图像之间的视差和相机之间的空间几何关系获得。测量原理如图4[5]所示。一个完整的三维视觉系统通常可以分为六个部分，包括：
(1)图像采集。即通过数码相机等图像传感器获取图像并数字化图像。
(2)摄像校准。通过实验和计算获得相机内外参数。
(3)特征提取。它是指从立体图像对中提取相应的图像特征，以便以后处理。
(4)图像匹配。它对应不同图像中同一空间点的图像点，从而获得视差图像。
（5）三维信息恢复：通过相机校准参数与两个图像点之间的视差，找出景点的深度信息，将不同的深度信息量化为不同的灰度值，然后恢复景点的三维信息。
(6)后处理:由于恢复的三维信息不连续，需要对恢复的三维信息进行后处理。
三维视觉法广泛应用于航空测量和机器人的视觉系统中。三维视觉问题，如双眼、多目和多帧图像序列，已成为国际学术研究的焦点和热点。
目前，主动光学三维测量技术已广泛应用于工业检测、反向工程、生物医学、机器视觉等领域。例如，复杂的叶轮和叶片表面检测、车身检测、人口牙齿测量、整形手术效果评价，用于制鞋CAD三维数据采集、各种物理模型的三维信息记录和模拟等。随着测量方法的改进和信息获取和处理技术的改进，三维高速高精度测量技术将在新的、更广泛的研究和应用领域发挥重要作用。
主动光学非接触测量技术一般可分为飞行时间法、主动三角法、莫尔轮廓法、投影结构光法、自动聚焦法、离焦法、全息干扰测量法、相移测量法等。以下简要介绍了几种主要方法。
飞行时间法是基于三维面对结构光束的时间调节。激光通常用于通过测量光波的飞行时间来获取距离信息，光脉冲可以通过结合额外的扫描装置扫描整个测量对象来获取三维数据。飞行时间法以信号检测的时间分辨率换取距离测量精度。为了获得高测量精度，测量系统必须具有高时间分辨率，通常用于大规模的远程测量。
干涉测量是通过分光系统将一束相干光分为测量光和参考光，利用测量光和参考光之间的相关叠加来确定两束光之间的相位差，从而获取物体表面的深度信息。该方法测量精度高，但测量范围受光波波长的限制，只能测量微表面的形状和小位移，不适合大物体的检测。
光学三角法是最常用的光学三维测量技术之一。根据传统的三角测量，该点的深度信息是通过待测点相对于光学基准线偏移的角度变化来计算的。光学三角法可分为被动三角法和基于结构光的主动三角法两类。双眼视觉是一种典型的被动三维测量技术，其优点是适应性强，可在各种条件下灵活测量物体三维信息，缺点是需要大量相关匹配操作和更复杂的空间几何参数校准，测量精度低，计算大，不适合精确测量，常用于三维目标识别、理解和位置分析，广泛应用于航空领域。主动三维测量技术可分为时间调制和空间调制两类。飞行时间法是一种典型的时间调制方法，激光逐点扫描、光切割和光栅投影是一种典型的空间调制方法。
相移测量法是一种重要的三维测量方法，它采用正弦光栅投影和相移技术，投影在物体上的光栅，根据物体的高度而产生变形，变形的光栅图像叫做条纹图，它包含了三维信息。
相移法是一种在时间轴上的逐点运算，不会造成全面影响，计算量少。另外，这种方法具有一定抗静态噪声的能力。缺点是不能消除条纹中高频噪声引起的误差。在传统相移系统中，精确移动光栅的需要增加了系统的复杂性。而在数字相移系统中，用软件控制精确地实现相位移动。某些应用场合不允许测量多幅图像，但只要没有以上限制，相移法仍然是首选方案。
相移测量法研究焦点在于不断提高测量的空间分辨率及测量精度、扩大物体的横向及纵向测量范围。
目前，相移测量法仍存在以下几个问题：
（1）阴影和盲区问题
相移测量法的测量受被测物表面散射特性的限制，必须满足“光线所及（光线能照到）和视线所及（能被观察到）”两个条件，对于光线不可及或视线不可及的地方，形状测量则无法实现，出现阴影和盲区问题。
（2）表面不连续问题
当表面不连续时，条纹相对级次不确定，就会造成解调相位不准确。
（3）图像的预处理
（4）相位去包裹
通过相移法求得的相位值都是折叠在-π~ +π的主值区间，必须对相位进行去包裹(Phase unwrapping)处理，正确地恢复出被折叠的2nπ才能求得真实的相位值。
（5）大曲面的测量
（6）系统的测量精度
由于测量系统的像差效应、透镜的畸变效应、CCD的非线性效应及图像采集板的量化效应等，都会给相移测量法带来很复杂的非线性系统误差，这些因素都降低了相移测量法的测量精度。
结构光法基于光学双相机三角测量的原理，将双目立体视觉中的某一个像机用事先约定好的结构投影光来代替，利用投影系统和成像系统的几何信息来进行三维形貌测量。结构光编码类型主要有灰度编码、二进制编码、宽度编码、栅格编码、彩色编码、相位编码以及混合编码等。结构光法的优点是测量分辨率高、速度快，能够实现全场测量，图像传感器和投射器不需要遵守严格的几何位置关系；通过编码和解码确定出射点与成像点之间的对应关系可以很好的解决特征匹配问题。
图5.投影结构光三维测量系统原理图
结构光一般分为云纹法和投影结构光法，投影结构光法（如图5[3]）是一类面结构光三维测量技术，它采用光学投射器将光栅投影于被测物体表面，被表面形状所调制的光栅条纹由另一位置的相机拍摄，从而获得二维变形条纹图像。条纹的变形程度取决于投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面的高度，条纹在法线方向的位移（或偏移）与物体表面高度成比例。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由变形的条纹图像便可以重现物体表面形廓，即可以进行三维表面形貌测量。投影条纹法因具有测量速度快、易自动化、柔性好和全场测量的特点，成为国内外三维形貌测量技术研究发展的重点。
常见的投影结构光法有傅立叶变化轮廓术和位相测量轮廓术。
傅里叶变化轮廓术（FTP)相当于在把对空间信息的处理转化为对频率的处理。其基本原理是投影条纹于物体表面，摄像机摄取变形的条纹图，对条纹图进行傅里叶变换、滤波、逆傅里叶变换的步骤提取条纹相位信息。条纹的相位信息中包含了物体的形貌信息。流程图如图6[11]所示。
图6.FTP测量流程图
傅里叶变化轮廓术具有全场、快速的特点，且能自动判定物体的凸凹，无需指定条纹级次和采用插值运算就能获得物体的高度分布，在实时和动态三维面形测量领域具有广泛的应用前景。但是目前FTP的测量精度精度还不够高，在实际应用中还存在若干困难，比如不完善相位图无法展开的问题，频谱混叠的影响等。
未来的研究重点是进一步提高FTP的测量精度，克服频谱混叠，不断优化频域滤波和相位展开算法，尽量减少测量过程中外界各种因素的干扰，以满足相关领域对三维面形数据快速、自动、实时获取的要求。
实际上，傅里叶变换光学可借鉴通信原理中的调制与解调的概念加以理解，故FTP的工作原理大致可描述为：
（1）投影在被测物体三维面形(调制信号)表面的光栅结构光场(载波信号)受到调制得到连续分布的变形结构光场(已调信号)，光栅结构光场的相位因此也受到物体三维面形高度分布的调制；
（2）对连续分布的变形结构光场(己调信号)进行摄取(抽样)，获得离散信息送计算机处理，经过离散傅里叶变换、频域滤波、逆傅里叶变换，计算出变形结构光场的相位信息；
（3）根据相位与高度分布之间的映射关系，重建被测物体的三维面形。
相位测量轮廓术(PMP)是以测量投影到物体上的变形条纹像的相位为基础，通过相位与高度的映射关系得到被测物体的三维形貌。
相位测量轮廓术的基本思想：基本思想就是通过多幅相互间有一定相位差的条纹图来计算出相位，再按照相应的相位展开算法就可以精确地得到物体三维面形数据。其优点在于，采用了正弦光栅投影和相移技术，能以较低廉的光学、电子和数字硬件设备为基础，以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据。
光学三维测量技术的主要特点是实时性、主动性、适应性好。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，由于无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用。
参考文献
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[10] 苑惠娟. 彩色条纹组合编码三维测量技术研究, 2006.
[11] 刘慧强. 傅里叶变换轮廓术应用问题的研究, 2005.
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