光學三維測量技術及應用

光學三維測量技術及應用                                                                                      
摘要：隨著現代科學技術的發展，光學三維測量已經在越來越廣泛的領域起到了重要作用。本文主要對接觸式三維測量和非接觸式三維測量進行了介紹。著重介紹了光學三維測量技術的各種實現方法及原理。最后對目前光學三維測量的應用進行了簡單介紹。
1.引言
隨著科學技術和工業的發展，三維測量技術在自動化生產、質量控制、機器人視覺、反求工程、CAD/CAM以及生物醫學工程等方面的應用日益重要。傳統的接觸式測量技術存在測量時間長、需進行測頭半徑的補償、不能測量彈性或脆性材料等局限性，因而不能滿足現代工業發展的需要。。
光學測量是光電技術與機械測量結合的高科技。光學測量主要應用在現代工業檢測。借用計算機技術，可以實現快速，準確的測量。方便記錄，存儲，打印，查詢等等功能。
光學三(san)維(wei)(wei)測量技(ji)(ji)(ji)術(shu)是(shi)集光、機(ji)、電和計算(suan)機(ji)技(ji)(ji)(ji)術(shu)于一體(ti)(ti)(ti)的(de)智能(neng)化、可視(shi)化的(de)高(gao)(gao)新(xin)(xin)技(ji)(ji)(ji)術(shu)，主要(yao)用于對物(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)空間外形和結(jie)構進(jin)行掃描(miao)，以得到物(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)的(de)三(san)維(wei)(wei)輪廓(kuo)，獲得物(wu)(wu)體(ti)(ti)(ti)表面點的(de)三(san)維(wei)(wei)空間坐標。隨著(zhu)現代(dai)檢測技(ji)(ji)(ji)術(shu)的(de)進(jin)步，特別(bie)是(shi)隨著(zhu)激光技(ji)(ji)(ji)術(shu)、計算(suan)機(ji)技(ji)(ji)(ji)術(shu)以及圖(tu)像處理技(ji)(ji)(ji)術(shu)等(deng)高(gao)(gao)新(xin)(xin)技(ji)(ji)(ji)術(shu)的(de)發(fa)展，三(san)維(wei)(wei)測量技(ji)(ji)(ji)術(shu)逐(zhu)步成為人們的(de)研究重點。光學三(san)維(wei)(wei)測量技(ji)(ji)(ji)術(shu)由于非接觸、快速測量、精度高(gao)(gao)的(de)優點在機(ji)械(xie)、汽車、航(hang)空航(hang)天(tian)等(deng)制(zhi)造工(gong)業及服裝、玩具、制(zhi)鞋(xie)等(deng)民用工(gong)業得到廣(guang)泛(fan)的(de)應用。

2.三維測量技術方法及分類
三維測(ce)(ce)量技(ji)術是獲(huo)取物體表面各點空間坐標的技(ji)術，主(zhu)要(yao)包括接(jie)觸(chu)式(shi)和非接(jie)觸(chu)式(shi)測(ce)(ce)量兩大類。如圖1所示。

圖1.三維測量技術分類
2.1.接觸式測量
物(wu)體三(san)維(wei)接觸(chu)式測量的(de)典型代表(biao)是(shi)坐標測量機(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是(shi)一(yi)種(zhong)大型精(jing)密的(de)三(san)坐標測量儀器[1]，它以精(jing)密機械為(wei)基礎(chu)，綜(zong)合應用電子(zi)、計算機、光學和數控(kong)等(deng)先進技術，能對三(san)維(wei)復雜工件的(de)尺(chi)寸、形狀和相對位置(zhi)進行高精(jing)度的(de)測量。

三坐標測(ce)量(liang)(liang)(liang)機(ji)作為(wei)現(xian)代大(da)型精密、綜(zong)合(he)測(ce)量(liang)(liang)(liang)儀器，有(you)其(qi)顯著的優點，包(bao)括：（1）靈活性強，可實現(xian)空間坐標點測(ce)量(liang)(liang)(liang)，方便(bian)地測(ce)量(liang)(liang)(liang)各種零件的三維輪廓尺寸及位置參數；（2）測(ce)量(liang)(liang)(liang)精度高且可靠；（3）可方便(bian)地進行(xing)數字運算與程序控制，有(you)很高的智能(neng)化程度。

早期的(de)(de)坐標測(ce)(ce)量(liang)(liang)機(ji)(ji)大(da)多使用(yong)固定剛性測(ce)(ce)頭(tou)(tou)，它(ta)最為簡(jian)單(dan)，缺點也很(hen)多[2]。主(zhu)要為（1）測(ce)(ce)量(liang)(liang)時(shi)操作人(ren)員憑手的(de)(de)感覺來保(bao)證(zheng)測(ce)(ce)頭(tou)(tou)與工件的(de)(de)接觸壓(ya)力，這(zhe)往(wang)往(wang)因(yin)人(ren)而異且與讀數(shu)之間很(hen)難(nan)定量(liang)(liang)描(miao)述(shu)；（2）剛性測(ce)(ce)頭(tou)(tou)為非反饋型(xing)測(ce)(ce)頭(tou)(tou)，不(bu)能用(yong)于(yu)數(shu)控坐標測(ce)(ce)量(liang)(liang)機(ji)(ji)上(shang)；（3）必須對測(ce)(ce)頭(tou)(tou)半徑進行三(san)維(wei)補償(chang)才能得到(dao)真實(shi)的(de)(de)實(shi)物(wu)表面數(shu)據(ju)。針對上(shang)述(shu)缺陷(xian)，人(ren)們陸續開(kai)發出各(ge)種(zhong)電感式(shi)(shi)、電容式(shi)(shi)反饋型(xing)微位移測(ce)(ce)頭(tou)(tou)，解決(jue)了(le)數(shu)控坐標測(ce)(ce)量(liang)(liang)機(ji)(ji)自動測(ce)(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)難(nan)題(ti)，但測(ce)(ce)量(liang)(liang)時(shi)測(ce)(ce)頭(tou)(tou)與被測(ce)(ce)物(wu)之間仍(reng)存(cun)在(zai)一(yi)定的(de)(de)接觸壓(ya)力，對柔軟(ruan)(ruan)物(wu)體的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)必然導致測(ce)(ce)量(liang)(liang)誤差。另外測(ce)(ce)頭(tou)(tou)半徑三(san)維(wei)補償(chang)問題(ti)依(yi)然存(cun)在(zai)。三(san)維(wei)測(ce)(ce)頭(tou)(tou)的(de)(de)出現可(ke)以相對容易地解決(jue)測(ce)(ce)頭(tou)(tou)半徑三(san)維(wei)補償(chang)的(de)(de)難(nan)題(ti)，但三(san)維(wei)測(ce)(ce)頭(tou)(tou)仍(reng)存(cun)在(zai)接觸壓(ya)力，對不(bu)可(ke)觸及的(de)(de)表面（如軟(ruan)(ruan)表面，精密的(de)(de)光滑表面等）無法(fa)測(ce)(ce)量(liang)(liang)，而且測(ce)(ce)頭(tou)(tou)的(de)(de)掃描(miao)速(su)度受到(dao)機(ji)(ji)械限制，測(ce)(ce)量(liang)(liang)效(xiao)率很(hen)低，不(bu)適(shi)合大(da)范圍測(ce)(ce)量(liang)(liang)。

2.2.非接觸式測量
非接(jie)觸(chu)式測量(liang)(liang)技(ji)術(shu)是隨(sui)著(zhu)近年來光(guang)(guang)(guang)學(xue)和電子元件的(de)(de)(de)廣(guang)泛應用(yong)而發展起來的(de)(de)(de)，其測量(liang)(liang)基于光(guang)(guang)(guang)學(xue)原理(li)，具(ju)有(you)高(gao)(gao)(gao)效率(lv)、無破壞性、工作距離大(da)(da)等(deng)特(te)點，可(ke)以對(dui)物體進(jin)行(xing)靜態或動態的(de)(de)(de)測量(liang)(liang)。此類技(ji)術(shu)應用(yong)在產(chan)(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)(liang)檢(jian)測和工藝控(kong)制(zhi)中，可(ke)大(da)(da)大(da)(da)節(jie)約生產(chan)(chan)成本(ben)，縮短產(chan)(chan)品(pin)的(de)(de)(de)研制(zhi)周期，大(da)(da)大(da)(da)提高(gao)(gao)(gao)產(chan)(chan)品(pin)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)，因(yin)而倍(bei)受人們的(de)(de)(de)青睞。隨(sui)著(zhu)各種高(gao)(gao)(gao)性能器(qi)件如半導(dao)體激光(guang)(guang)(guang)器(qi)LD、電荷耦合器(qi)件CCD、CMOS圖(tu)像傳(chuan)感(gan)器(qi)和位置(zhi)敏感(gan)傳(chuan)感(gan)器(qi)PSD等(deng)的(de)(de)(de)出(chu)現，新型三維傳(chuan)感(gan)器(qi)不斷出(chu)現，其性能也大(da)(da)幅(fu)度(du)提高(gao)(gao)(gao)，光(guang)(guang)(guang)學(xue)非接(jie)觸(chu)測量(liang)(liang)技(ji)術(shu)得到迅猛(meng)的(de)(de)(de)發展。

非接觸式三維測量不需要與待測物體接觸，可以遠距離非破壞性地對待測物體進行測量。其中，光學非接觸式測量是非接觸式測量中主要采用的方法。
3.光學非接觸式三維測量的概述
光學非接觸(chu)式三(san)維測量技術(shu)根據獲(huo)取三(san)維信息的基本方法可(ke)分為兩大類(lei)：被動(dong)式與主動(dong)式。如(ru)圖2所示(shi)[3]。

主動(dong)(dong)(dong)式是利用特殊(shu)的(de)(de)受控光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)（稱為(wei)主動(dong)(dong)(dong)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)）照射被測物，根據主動(dong)(dong)(dong)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)的(de)(de)已知結構信息(xi)（幾何的(de)(de)、物體(ti)的(de)(de)、光(guang)(guang)學的(de)(de)）獲(huo)取景物的(de)(de)三(san)維信息(xi)。被動(dong)(dong)(dong)式是在自然光(guang)(guang)（包括(kuo)室(shi)內(nei)可(ke)控照明光(guang)(guang)）條(tiao)件下(xia)，通過攝像(xiang)機等光(guang)(guang)學傳感器攝取的(de)(de)二(er)維灰度(du)圖像(xiang)獲(huo)取物體(ti)的(de)(de)三(san)維信息(xi)。

圖2.光(guang)學三維測量方法分類

3.1.光學被動式三維測量
由(you)于(yu)被(bei)動(dong)(dong)式沒(mei)有受控的(de)(de)(de)主動(dong)(dong)光源，無需復(fu)雜(za)(za)的(de)(de)(de)設備，并且與人類(lei)的(de)(de)(de)視覺習(xi)慣比較接(jie)近。被(bei)動(dong)(dong)式測量技(ji)術(shu)主要用于(yu)受環境約束不(bu)能(neng)(neng)使(shi)用激光或(huo)(huo)特殊照明(ming)光的(de)(de)(de)場(chang)合，或(huo)(huo)者(zhe)由(you)于(yu)保密需要的(de)(de)(de)軍事場(chang)合。一(yi)般是(shi)從(cong)(cong)一(yi)個或(huo)(huo)多個攝(she)像系(xi)統(tong)獲取的(de)(de)(de)二(er)維圖(tu)(tu)像中確(que)定(ding)距(ju)離信息，形(xing)(xing)成三維面形(xing)(xing)數據，即(ji)單(dan)目、多目視覺。當(dang)從(cong)(cong)一(yi)個攝(she)像系(xi)統(tong)獲取的(de)(de)(de)二(er)維圖(tu)(tu)像中確(que)定(ding)信息時，人們必須依賴(lai)對于(yu)物(wu)體形(xing)(xing)態、光照條(tiao)件(jian)等(deng)(deng)的(de)(de)(de)先(xian)驗知識(shi)(shi)。如果這(zhe)些知識(shi)(shi)不(bu)完整，對深度(du)的(de)(de)(de)計(ji)算可能(neng)(neng)產生錯誤。從(cong)(cong)兩個或(huo)(huo)多個攝(she)像系(xi)統(tong)獲取的(de)(de)(de)不(bu)同視覺方向的(de)(de)(de)二(er)維圖(tu)(tu)像中，通過相關或(huo)(huo)匹配(pei)等(deng)(deng)運算可以重(zhong)建物(wu)體的(de)(de)(de)三維面形(xing)(xing)。當(dang)被(bei)測目標的(de)(de)(de)結構信息過分簡單(dan)或(huo)(huo)過分復(fu)雜(za)(za)，以及被(bei)測目標上各點(dian)反射率沒(mei)有明(ming)顯差(cha)異時，這(zhe)種計(ji)算變得更加復(fu)雜(za)(za)。

以兩個攝像機(ji)為例，雙攝像機(ji)的(de)系(xi)統(tong)又(you)稱(cheng)為雙目視覺(jue)(jue)系(xi)統(tong)，雙目視覺(jue)(jue)系(xi)統(tong)的(de)幾(ji)何(he)(he)關(guan)系(xi)是非常簡單明確(que)的(de)，但由于遮掩(yan)或陰(yin)影(ying)的(de)影(ying)響，被(bei)測物體某(mou)些部分有(you)(you)可(ke)能(neng)只出(chu)現在立體點對的(de)一個觀察點上。有(you)(you)時CCD圖(tu)像傳(chuan)感器(qi)由于能(neng)量(liang)被(bei)物體表(biao)面大量(liang)吸收而(er)得不(bu)到(dao)足夠的(de)、由物體反射(she)回來的(de)能(neng)量(liang)，滿足對應點匹(pi)配計(ji)算的(de)候選點有(you)(you)可(ke)能(neng)出(chu)現假對應。因(yin)此，被(bei)動(dong)三維(wei)(wei)傳(chuan)感的(de)方(fang)法常常用于對三維(wei)(wei)目標(biao)的(de)識(shi)別(bie)、理解以及(ji)用于位置(zhi)、形態(tai)分析，這種(zhong)方(fang)法的(de)系(xi)統(tong)結構比較簡單，目前在機(ji)器(qi)視覺(jue)(jue)領域(yu)應用廣泛(fan)。立體視覺(jue)(jue)的(de)基本幾(ji)何(he)(he)模型如圖(tu)3[4]所示。

雙目立體視覺 (Stereo Vision)根據同一空間點在不同位置的兩個相機拍攝的圖像中的視差，以及攝像機之間位置的空間幾何關系來獲取該點的三維坐標值。測量原理如圖4[5]所示。一個完整的立體視覺系統通常可分為六大部分，包括：
（1）圖像采集。即通過圖像傳感器如數碼相機等獲得圖像并將其數字化。
（2）攝像機標定。就是通過實驗和計算得到攝像機內外等參數。
（3）特征提取。它是指從立體圖像對中提取對應的圖像特征，以進行后面的處理。
（4）圖像匹配。它將同一空間點在不同圖像中的映像點對應起來，由此得到視差圖像。
（5）三維信息恢復：由相機標定參數和兩幅圖像像點的視差關系，求出場景點的深度信息，把不同的深度信息量化為不同的灰度值來表示，進而恢復景物的三維信息。
（6）后(hou)處理(li)：因恢復的三維信息有不(bu)連續性，所(suo)以要對(dui)恢復出的三維信息進行后(hou)處理(li)。

立體視(shi)覺(jue)法(fa)廣(guang)泛應用于航空測(ce)量、機器人的視(shi)覺(jue)系統中，雙目(mu)、多(duo)(duo)目(mu)以及多(duo)(duo)幀圖像序(xu)列等(deng)立體視(shi)覺(jue)問題已經成為國(guo)際(ji)學(xue)術研究的重(zhong)點和熱點。

3.2.光學主動式三維測量
目(mu)前，主動式(shi)光學三維測量測量技術已廣(guang)泛用于工業檢(jian)測、反求工程、生物(wu)醫學、機器視覺等領域。例(li)如，復雜的(de)(de)葉輪和(he)葉片的(de)(de)面(mian)形檢(jian)測，汽車(che)車(che)身(shen)的(de)(de)檢(jian)測，人類口腔牙型測量，整(zheng)形外科效果評價，用于制鞋CAD的(de)(de)鞋楦三維數據采集，各種實物(wu)模型的(de)(de)三維信息記錄(lu)與仿形等。三維高速度(du)、高精度(du)測量技術將隨著測量方(fang)法的(de)(de)完善(shan)和(he)信息獲取與處(chu)理技術的(de)(de)改進而進一步發展，在(zai)新的(de)(de)更加(jia)廣(guang)闊的(de)(de)研究和(he)應用領域中(zhong)發揮重要作用。

主(zhu)(zhu)動(dong)式光學非(fei)接(jie)觸(chu)測量(liang)技術大體上可分為飛行時間法(fa)、主(zhu)(zhu)動(dong)三角法(fa)、莫爾輪廓(kuo)術、投影結構光法(fa)、自動(dong)聚焦法(fa)、離焦法(fa)、全息干涉(she)測量(liang)法(fa)、相移測量(liang)法(fa)等。以下對(dui)幾(ji)種(zhong)主(zhu)(zhu)要的方(fang)法(fa)進行以下簡單介紹(shao)。

3.2.1.飛行時間法
飛行時(shi)(shi)間法是(shi)基(ji)于三(san)維面形對(dui)結(jie)構光(guang)束產生(sheng)的(de)時(shi)(shi)間調制，一般采(cai)用激光(guang)，通過測量(liang)(liang)光(guang)波的(de)飛行時(shi)(shi)間來(lai)獲得距(ju)離(li)信(xin)息(xi)，結(jie)合附加的(de)掃(sao)描(miao)裝置使光(guang)脈沖(chong)掃(sao)描(miao)整個待測對(dui)象(xiang)就可以得到三(san)維數(shu)據。飛行時(shi)(shi)間法以對(dui)信(xin)號檢測的(de)時(shi)(shi)間分辨(bian)率來(lai)換取距(ju)離(li)測量(liang)(liang)精(jing)度(du)，要得到高的(de)測量(liang)(liang)精(jing)度(du)，測量(liang)(liang)系(xi)統必(bi)須要有極高的(de)時(shi)(shi)間分辨(bian)率，常用于大尺度(du)遠(yuan)距(ju)離(li)的(de)測量(liang)(liang)。

3.2.2.干涉法
干涉測(ce)量是將(jiang)一(yi)束相(xiang)(xiang)干光(guang)(guang)(guang)(guang)通過分光(guang)(guang)(guang)(guang)系統分成測(ce)量光(guang)(guang)(guang)(guang)和參考(kao)光(guang)(guang)(guang)(guang)，利用測(ce)量光(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)與參考(kao)光(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)的(de)相(xiang)(xiang)干疊(die)加(jia)來(lai)確定兩束光(guang)(guang)(guang)(guang)之間的(de)相(xiang)(xiang)位差，從而(er)獲得物(wu)體(ti)表面的(de)深(shen)度(du)信息。這種方法(fa)測(ce)量精度(du)高(gao)，但測(ce)量范圍受到光(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)波(bo)(bo)長的(de)限制(zhi)，只(zhi)能測(ce)量微觀表面的(de)形貌和微小位移，不(bu)適于大尺度(du)物(wu)體(ti)的(de)檢測(ce)。

3.2.3.主動三角法
光學三(san)(san)角(jiao)(jiao)法是最常用(yong)的(de)(de)(de)(de)一種(zhong)光學三(san)(san)維測(ce)(ce)量技術(shu)，以(yi)(yi)傳統的(de)(de)(de)(de)三(san)(san)角(jiao)(jiao)測(ce)(ce)量為(wei)基(ji)礎，通過(guo)待測(ce)(ce)點(dian)(dian)(dian)相(xiang)對于(yu)(yu)光學基(ji)準線偏(pian)移產生的(de)(de)(de)(de)角(jiao)(jiao)度(du)變化計算該點(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)深度(du)信(xin)息。根據具體照明方式的(de)(de)(de)(de)不(bu)同，光學三(san)(san)角(jiao)(jiao)法可(ke)分(fen)為(wei)兩大類：被(bei)動(dong)三(san)(san)角(jiao)(jiao)法和(he)基(ji)于(yu)(yu)結構(gou)光的(de)(de)(de)(de)主動(dong)三(san)(san)角(jiao)(jiao)法。雙目視覺是典(dian)(dian)(dian)型的(de)(de)(de)(de)被(bei)動(dong)三(san)(san)維測(ce)(ce)量技術(shu)，它的(de)(de)(de)(de)優點(dian)(dian)(dian)在(zai)于(yu)(yu)其適應(ying)性強(qiang)，可(ke)以(yi)(yi)在(zai)多種(zhong)條件下靈活(huo)地測(ce)(ce)量物體的(de)(de)(de)(de)立體信(xin)息，缺點(dian)(dian)(dian)是需要大量的(de)(de)(de)(de)相(xiang)關匹配運算以(yi)(yi)及(ji)較(jiao)為(wei)復雜的(de)(de)(de)(de)空(kong)間(jian)(jian)幾何(he)參數的(de)(de)(de)(de)校準等問題，測(ce)(ce)量精度(du)低，計算量較(jiao)大，不(bu)適于(yu)(yu)精密計量，常用(yong)于(yu)(yu)三(san)(san)維目標的(de)(de)(de)(de)識別、理(li)解以(yi)(yi)及(ji)位形分(fen)析(xi)等場合，在(zai)航空(kong)領(ling)域應(ying)用(yong)較(jiao)多。主動(dong)三(san)(san)維測(ce)(ce)量技術(shu)根據三(san)(san)維面形對于(yu)(yu)結構(gou)光場的(de)(de)(de)(de)調制(zhi)方式不(bu)同，可(ke)分(fen)為(wei)時(shi)間(jian)(jian)調制(zhi)和(he)空(kong)間(jian)(jian)調制(zhi)兩大類。飛行時(shi)間(jian)(jian)法是典(dian)(dian)(dian)型的(de)(de)(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)調制(zhi)方法，激(ji)光逐(zhu)點(dian)(dian)(dian)掃描法、光切(qie)法和(he)光柵投射法是典(dian)(dian)(dian)型的(de)(de)(de)(de)空(kong)間(jian)(jian)調制(zhi)方法。

3.2.4.相移測量法
相移(yi)測量法是(shi)一種(zhong)重要的(de)三維測量方法，它采用正(zheng)弦光柵(zha)投影(ying)和相移(yi)技術，投影(ying)在物體(ti)(ti)上(shang)的(de)光柵(zha)，根據物體(ti)(ti)的(de)高度而產生(sheng)變形，變形的(de)光柵(zha)圖(tu)像叫做條紋(wen)圖(tu)，它包含了(le)三維信息。

相(xiang)(xiang)移(yi)(yi)法(fa)是一種在時間軸上的逐點運算(suan)，不(bu)會造成全面影響，計算(suan)量少。另外，這種方法(fa)具有一定(ding)抗靜態(tai)噪聲的能力。缺點是不(bu)能消除條(tiao)紋(wen)中(zhong)高頻噪聲引起的誤差(cha)。在傳統(tong)相(xiang)(xiang)移(yi)(yi)系統(tong)中(zhong)，精確(que)移(yi)(yi)動(dong)光柵的需要增加(jia)了系統(tong)的復雜性(xing)。而(er)在數(shu)字相(xiang)(xiang)移(yi)(yi)系統(tong)中(zhong)，用軟件控制精確(que)地實(shi)現相(xiang)(xiang)位移(yi)(yi)動(dong)。某些應用場合不(bu)允許測量多幅圖像(xiang)，但只要沒有以上限制，相(xiang)(xiang)移(yi)(yi)法(fa)仍然是首選方案。

相移測(ce)(ce)量(liang)(liang)法研究(jiu)焦點在于不斷提高測(ce)(ce)量(liang)(liang)的空間分辨率(lv)及測(ce)(ce)量(liang)(liang)精度(du)、擴大物(wu)體(ti)的橫向及縱向測(ce)(ce)量(liang)(liang)范圍。

目前，相移測(ce)量法(fa)仍存在(zai)以下幾(ji)個問題：

（1）陰影和盲區問題
相移測量(liang)(liang)法(fa)的(de)測量(liang)(liang)受被測物表面散射特性的(de)限制(zhi)，必須滿足“光(guang)線(xian)所及（光(guang)線(xian)能(neng)照到(dao)）和(he)視(shi)線(xian)所及（能(neng)被觀察到(dao)）”兩個條件(jian)，對于(yu)光(guang)線(xian)不(bu)可(ke)及或(huo)視(shi)線(xian)不(bu)可(ke)及的(de)地方，形狀測量(liang)(liang)則(ze)無法(fa)實現，出現陰影和(he)盲區(qu)問題(ti)。

（2）表面不連續問題
當表(biao)面(mian)不連續時，條(tiao)紋相對級次(ci)不確定，就會造(zao)成解(jie)調相位不準(zhun)確。

（3）圖像的預處理

（4）相位去包裹
通(tong)過(guo)相(xiang)移法求得的(de)相(xiang)位(wei)(wei)值(zhi)都是折(zhe)疊在-π~ +π的(de)主值(zhi)區間，必須對相(xiang)位(wei)(wei)進(jin)行去包裹(Phase unwrapping)處(chu)理，正確地恢(hui)復出被折(zhe)疊的(de)2nπ才能求得真實的(de)相(xiang)位(wei)(wei)值(zhi)。

（5）大曲面的測量

（6）系統的測量精度
由于測量系統的像差效應、透鏡的畸變效應、CCD的非線性效應及圖像采集板的量化效應等，都會給相移測量法帶來很復雜的非線性系統誤差，這些因素都降低了相移測量法的測量精度。
3.2.5 結構光法
結(jie)(jie)構光(guang)(guang)法基于光(guang)(guang)學(xue)雙相(xiang)機(ji)三(san)角測量(liang)的(de)(de)原(yuan)理，將雙目立(li)體(ti)視(shi)覺(jue)中的(de)(de)某一個像(xiang)(xiang)機(ji)用事先約(yue)定(ding)好的(de)(de)結(jie)(jie)構投影(ying)光(guang)(guang)來代替，利用投影(ying)系(xi)統(tong)和成像(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)的(de)(de)幾何信息來進行(xing)三(san)維形貌測量(liang)。結(jie)(jie)構光(guang)(guang)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)類型主要有灰度(du)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)、二進制(zhi)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)、寬(kuan)度(du)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)、柵格編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)、彩色編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)、相(xiang)位(wei)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)以(yi)及(ji)混合(he)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)等(deng)。結(jie)(jie)構光(guang)(guang)法的(de)(de)優點(dian)是測量(liang)分辨率高(gao)、速(su)度(du)快，能夠(gou)實現全場測量(liang)，圖像(xiang)(xiang)傳感器和投射器不(bu)需要遵守(shou)嚴格的(de)(de)幾何位(wei)置關系(xi)；通過編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)和解碼(ma)(ma)(ma)確(que)定(ding)出射點(dian)與(yu)成像(xiang)(xiang)點(dian)之間的(de)(de)對應關系(xi)可以(yi)很好的(de)(de)解決特征匹配問題。

圖5.投影結構光三維測量系統原理圖

結構光一(yi)般分為云(yun)紋(wen)(wen)(wen)法(fa)和投(tou)影(ying)結構光法(fa)，投(tou)影(ying)結構光法(fa)（如圖(tu)5[3]）是(shi)一(yi)類面(mian)結構光三維測量(liang)技術(shu)，它采用光學投(tou)射(she)(she)器將光柵(zha)投(tou)影(ying)于被測物(wu)(wu)體(ti)表(biao)面(mian)，被表(biao)面(mian)形(xing)(xing)(xing)狀所(suo)調制的(de)光柵(zha)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)由另(ling)一(yi)位(wei)置的(de)相(xiang)(xiang)機拍攝，從而獲得(de)二維變形(xing)(xing)(xing)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)圖(tu)像(xiang)(xiang)。條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)的(de)變形(xing)(xing)(xing)程度取決于投(tou)射(she)(she)器與(yu)(yu)攝像(xiang)(xiang)機之(zhi)間的(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)位(wei)置和物(wu)(wu)體(ti)表(biao)面(mian)的(de)高(gao)度，條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)在法(fa)線(xian)方向的(de)位(wei)移（或(huo)偏移）與(yu)(yu)物(wu)(wu)體(ti)表(biao)面(mian)高(gao)度成比例。當光學投(tou)射(she)(she)器與(yu)(yu)攝像(xiang)(xiang)機之(zhi)間的(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)位(wei)置一(yi)定時，由變形(xing)(xing)(xing)的(de)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)圖(tu)像(xiang)(xiang)便可(ke)以重現(xian)物(wu)(wu)體(ti)表(biao)面(mian)形(xing)(xing)(xing)廓(kuo)，即可(ke)以進行三維表(biao)面(mian)形(xing)(xing)(xing)貌測量(liang)。投(tou)影(ying)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)法(fa)因具有(you)測量(liang)速度快(kuai)、易自(zi)動化(hua)、柔性好和全場測量(liang)的(de)特(te)點(dian)，成為國內外三維形(xing)(xing)(xing)貌測量(liang)技術(shu)研究發(fa)展的(de)重點(dian)。

常見的(de)投影結(jie)構光法有傅立葉變化輪廓(kuo)術(shu)和位相測量輪廓(kuo)術(shu)。

3.2.5.1傅里葉變化輪廓術
傅里葉變化輪廓術（FTP)相(xiang)當于(yu)在把對空間信(xin)息(xi)的(de)(de)處(chu)理(li)轉化為(wei)對頻率的(de)(de)處(chu)理(li)。其基本原理(li)是投影條(tiao)紋于(yu)物體(ti)表面，攝像機攝取變形的(de)(de)條(tiao)紋圖(tu)，對條(tiao)紋圖(tu)進(jin)行傅里葉變換、濾波、逆傅里葉變換的(de)(de)步驟提取條(tiao)紋相(xiang)位信(xin)息(xi)。條(tiao)紋的(de)(de)相(xiang)位信(xin)息(xi)中包(bao)含了(le)物體(ti)的(de)(de)形貌信(xin)息(xi)。流程圖(tu)如圖(tu)6[11]所示。

圖(tu)6.FTP測量流(liu)程圖(tu)

傅里葉變化輪(lun)廓術具有全(quan)場(chang)、快(kuai)速的(de)(de)(de)(de)特(te)點，且能(neng)自(zi)動(dong)判定(ding)物(wu)體(ti)的(de)(de)(de)(de)凸凹，無(wu)需指(zhi)定(ding)條紋級次(ci)和采用(yong)插值(zhi)運算就(jiu)能(neng)獲得物(wu)體(ti)的(de)(de)(de)(de)高度分布，在實時和動(dong)態(tai)三維面形測(ce)量領域具有廣泛的(de)(de)(de)(de)應用(yong)前景。但是目(mu)前FTP的(de)(de)(de)(de)測(ce)量精(jing)度精(jing)度還(huan)不夠高，在實際應用(yong)中還(huan)存(cun)在若干(gan)困(kun)難，比如不完善相位圖無(wu)法展開的(de)(de)(de)(de)問題，頻譜混疊的(de)(de)(de)(de)影響等。

未來(lai)的(de)研究重點是進一步(bu)提高FTP的(de)測量精(jing)度，克服頻(pin)譜混疊，不斷(duan)優化頻(pin)域(yu)濾波和(he)相位(wei)展開(kai)算法，盡量減(jian)少測量過程中外界各種因素的(de)干(gan)擾，以滿足(zu)相關領(ling)域(yu)對三(san)維(wei)面形數(shu)據快速、自(zi)動、實時(shi)獲取的(de)要求。

實際上，傅里葉變換光學可借(jie)鑒通信原理(li)中的(de)調制與解調的(de)概(gai)念加以(yi)理(li)解，故FTP的(de)工作(zuo)原理(li)大致可描述為：

（1）投(tou)影在被測物(wu)體三(san)維面形(調(diao)制信(xin)號)表面的光(guang)(guang)柵結構光(guang)(guang)場(載波信(xin)號)受到調(diao)制得到連(lian)續(xu)分布的變形結構光(guang)(guang)場(已調(diao)信(xin)號)，光(guang)(guang)柵結構光(guang)(guang)場的相(xiang)位因此也受到物(wu)體三(san)維面形高(gao)度分布的調(diao)制；

（2）對(dui)連續分布(bu)的變(bian)(bian)形(xing)結(jie)構(gou)光場(chang)(己調信號(hao))進(jin)行(xing)攝取(抽樣)，獲得離(li)散信息送計(ji)算(suan)機處理，經(jing)過離(li)散傅里葉變(bian)(bian)換、頻域(yu)濾波、逆傅里葉變(bian)(bian)換，計(ji)算(suan)出(chu)變(bian)(bian)形(xing)結(jie)構(gou)光場(chang)的相位信息；

（3）根(gen)據(ju)相位(wei)與高度分(fen)布(bu)之間的映射關系，重建(jian)被(bei)測物體的三維(wei)面形。

3.2.5.2.相位測量輪廓術
相位測(ce)量輪廓術(PMP)是以測(ce)量投影到物(wu)體上的(de)變形(xing)條紋像(xiang)的(de)相位為基(ji)礎，通過相位與高度的(de)映射關系得到被測(ce)物(wu)體的(de)三維(wei)形(xing)貌。

相(xiang)(xiang)位測量(liang)輪廓(kuo)術的基本(ben)思想：基本(ben)思想就是通過(guo)多(duo)幅相(xiang)(xiang)互間有一定相(xiang)(xiang)位差的條(tiao)紋圖來計(ji)算出相(xiang)(xiang)位，再(zai)按照相(xiang)(xiang)應的相(xiang)(xiang)位展(zhan)開算法(fa)就可以精(jing)確(que)地得(de)到物體(ti)三維面形數據。其優點在于，采用了正弦光(guang)柵投影和(he)(he)(he)相(xiang)(xiang)移(yi)技術，能以較低(di)廉(lian)的光(guang)學、電子和(he)(he)(he)數字硬件設(she)備(bei)為(wei)基礎，以較高的速度和(he)(he)(he)精(jing)度獲取和(he)(he)(he)處理大量(liang)的三維數據。

4.小結
光學三維(wei)測量(liang)技術的主要特點是(shi)實時性、主動性、適應性好。光學三維(wei)測量(liang)數據經(jing)過簡單的處理就(jiu)可(ke)以(yi)直接使用，無(wu)需復(fu)雜(za)的數據后處理，由于(yu)無(wu)需和被(bei)測物體(ti)接觸，可(ke)以(yi)在很(hen)多(duo)復(fu)雜(za)環境下應用。