三維測量技術及設備

1,三維測量技術的發(fā)展

計算機視覺是研究視覺信息的認知過程，從信息處理層次角度來分析，包括視

覺信息處理中的計算理論、表達與方法。二十世紀中期，計算機視覺這一領域開始

被人們所關注和研究，然而直到理工學院的Mary教授在70年代后期才提出了較為

全面的計算機視覺系統(tǒng)，他是從信息處理的角度來分析，并且參照了圖像處理、心

理物理學、神經生理學和臨床精神病學的研究成果，這一概念的提出，使得計算機

視覺的發(fā)展應用開始流行。從信息處理方面來看,Mary教授為計算機視覺系統(tǒng)的研

究分為三個層次，首先是在以低層視覺處理方式為基礎處理輸入的原始圖像時，要

使用圖像處理技術；然后是在獲取場景的深度信息時要采用中層視覺處理方式：最

后是通過高層視覺處理方式來識別特征點，并且以此來確定被測物體的相對位置

等。

二十世紀八十年代，計算機視覺的研究進入鼎盛時期，越來越多的研究者開始

關注這一領域。近年來，在針對幾何計算機視覺的研究中，人們提出了通過由多幅

圖像序列按照不同的理論和算法，可以將三維物體的形狀和攝像機的運動狀態(tài)計算

出來，這一概念的提出把射影幾何等復雜的數(shù)學內容引入到計算機視覺中，從而形

成了所謂的“多視圖幾何較好的描述了視覺中物體的粗細特征，降低了對計算機視

覺系統(tǒng)中攝像機參數(shù)要求，因此提高了計算機視覺系統(tǒng)對噪聲的魯棒性。在圖像三

維測量研究中，發(fā)達國家的研究開始的比較早，如美國、德國、加拿大、曰本等，

從五十年代計算機視覺系統(tǒng)的較為全面的提出，這些發(fā)達國家經過十多年的科學研

究，已經提出了許多比較新穎的測量原理和方法，我國對計算機視覺方面的研究相

對較晚一些?，F(xiàn)今三維測量方法主要可分為主動式和被動式，主動式主要通過使用

專門的光源照射被測物體，例如相位測量法，結構光測量技術等；而被動式主要依靠

物體周圍的光線，例如攝影測量法等2007年10月24日，我國自主研發(fā)的“嫦娥一

號”繞月人造衛(wèi)星成功發(fā)射，衛(wèi)星裝備有一臺三線陣CCD推掃立體相機，該相機的主

要功能是為了獲取月球表面的三維影像，構建立體相機掃描成像模型.

2<>三維測量方法及其原理

2.1接觸式掃描儀

接觸式測量是三維面形測量的最為傳統(tǒng)的方法，它所采用的典型的裝置就是三

坐標測量機。它以精密機械為基礎，綜合了光電技術，計算機技術和數(shù)控技術等。

三坐標測量機的工作原理是：通過對零件表面點的測量來獲得零件形面上零散點的

幾何信息，然后通過計算，還原出零件形面的幾何信息，并在這些信息的基礎上，

計算出零件中的幾何元素尺寸和形位公差.

只是隨著科技的不斷進步，其中的許多方法我們已經不再使用，但是，它們是

我們在三維測量領域取得更大發(fā)展的堅強基石。在此列出，僅供對三維測量發(fā)展歷

程的了解之需。我們要主要介紹的就是目前應用較多的測量方法和技術，以及與之

相關的部分內容.它以精密機械為基礎，綜合了光電技術，計算機技術和數(shù)控技術

等。三坐標測量機的工作原理是：通過對零件表面點的測量來獲得零件形面上零散

點的幾何信息，然后通過計算，還原出零件形面的幾何信息，并在這些信息的基礎

上，計算出零件中的幾何元素尺寸和形位公差。

2.1.1高精度測量機

在高精度化方面，Nikon的TRAISTATIONSH830型CNC三維測量機最為引人

注目,其總體造型為高剛性龍門式結構，X、Y、Z三軸全部采用陶瓷材質的導軌，并

采用不會因X向運動而對Z軸導軌(測頭)產生螺旋扭矩的特殊結構，于是其空間

測量精度誤差UW(1.8+2L/1000um),為這一級別測量機的最高水準.對環(huán)

境溫度要求由傳統(tǒng)的20℃±0.5℃放寬到20℃±2℃,大幅度提高了測量機的環(huán)

境適應能力.

2.1.2高速測量機

在高速化方面，最受矚目的當屬卡爾蔡司公司的UPMC型高速掃描（HSS）三坐

標測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了新型萬能3D測頭，可實現(xiàn)對測點的高速檢測和對測量

力的向量控制。與傳統(tǒng)的“測點-測點”的探測方法相比，在同一時間內可測取100

倍于傳統(tǒng)方法的測點數(shù)據(jù).例如，用傳統(tǒng)的接觸式測頭測量。50的孔徑時，測4

點需要耗時10s,而在同樣的10s內，HHS系統(tǒng)可獲取1000個點的測量數(shù)據(jù)。

2o1.3耐環(huán)境型測量機

卡爾蔡司公司的UMC型、UPMC型及ZMC型三坐標測量機，全部采用了溫度

補償專用軟件“CAA”，計算機輔助精密化）。利用溫度傳感器分別準確的測出X、Y、

Z三軸所有準標尺及工件的溫度，由專用軟件CAA在測量機開始工作時自動的讀

出這些溫度值。在測量機正式工作時，對由于測量機實際工作環(huán)境溫度偏離標準溫

度（20℃）而造成的測量誤差，會自動的進行線性補償，從而增強了三坐標測量機

對環(huán)境的適應能力，即其實際的工作環(huán)境溫度范圍可放寬到15℃~30℃.可見，其使

用范圍不限于實驗室，而且可以直接走向生產現(xiàn)場。

除上述之外，還有“蘭顆苔辣蒿布匈”開發(fā)的可用于長1m、重1t的大型組件、

曲軸的圓度、圓柱度等幾何的測量，是面向汽車制造業(yè)的新產品。由Mitntoyo開

發(fā)的新產品--“CV-L426”型非球曲面測量機，是超高精度輪廓測量的理想設備，

在對眼鏡的鏡片、視頻投影設備鏡面等非球形曲面進行測量時，其分界率為0o025

Um（Z軸）、0.1口m（X軸）、測量壓力為30N.日本“東京精密”與工業(yè)技術計

量研究院共同開發(fā)的激光跟蹤三坐標測量機的測量范圍可達5mX5mX3m,坐標精

度為5~10口m,被測物體最高允許速度為500mm/s.

三坐標測量機的測量系統(tǒng)是將測量信息、測量脈沖生成程序“Geo—Teacher”

與市售的AutoCAD結合起來在微機上運行的測量軟件。其示意圖如圖2.2所示：

三坐標測量機的有關技術已經走向成熟，已經由實驗室走向企業(yè)，不再是企業(yè)炫耀

的裝飾性奢侈品，而是實實在在的生產設備。三坐標測量機的優(yōu)點表現(xiàn)在：測量精

度高，可以對復雜工件形狀進行測量。其缺點也是很明顯的，顧名思義，這種測量

方法要求測頭與被測物體表面接觸，這樣就導致測量速度慢，從而影響測量效率；而

且，測量的靈敏度也不高，不能實現(xiàn)對柔軟物體的測量；另外，由于三坐標測量機的

機械結構復雜，對工作環(huán)境有較高的要求，必須采取一些防霧、防塵、恒溫等措施。

這些都抑制了三坐標測量機的進一步推廣使用。

2o2非接觸式掃描儀

非接觸測量主要分為兩類：一類是光學方法，另一類是光學外的其它方法。光

學測量法又可以分為主動測量法和被動測量法.前者是指對被測物體投射特定的結

構光，使之被物體調制，再經過解調得到物體的三維信息。后者則是在自然光照明

下，通過一定技術檢測出物沐的三維信息。兩者的區(qū)別在于是否引進專門的光源進

行照明。典型的被動測量系統(tǒng)是采用兩個或多個攝像機獲得不同視覺方向的二維視

圖，通過這些困像的視差，運用相關或匹配運算可以重建出物體的三維表面。該方

法的關鍵是對應點的匹配算法，計算量通常較大，當被測物體表面各點反射率無明

顯差異時，對應點匹配變得很難實現(xiàn).主動測量法通過引入預定的光源大大提高了

測量的精度、準確度、速度和可靠性，從而使實用的三維精確成像成為可能。而主

動光照明的典型的測量方法是結構光法.

2o2.1激光視覺檢測一主動三角法

激光具有方向性好、亮度高等優(yōu)點，利用激光做光源來獲取結構光的主動視覺

檢測就應運而生.激光非接觸測量頭采用CCD技術和激光技術，運用三角原理進行

設計。單點式激光三角法采用直射式和斜射式兩種結構。

直射式

a0

激光光束經透鏡聚焦后垂直入射到被測物體上，物體的移動或表面變化將導致

入射點沿入射光軸移動，接收透鏡接收到來自入射光點的散射光，并將其成像在光

電位置探測器敏感面上。

bo斜射式

激光器發(fā)出的光與被測面的法線成一定角度入射到被測面上，同樣用一透鏡接

收光點的被測面的散射光和反射光，若光點的像在探測器敏感面上移動x',則物

體表面沿法線方向的移動距離激光視覺測量的基本原理：用激光作光源可以產生各

種結構光：點結構光、線結構光和多線結構光（面結構光）。用一個或多個CCD攝

像機來接收，通過一定算法來獲取結構光所攜帶的被測物體的三維信息。其中：線

結構光測量技術以其固有的非接觸性、高精度、高速度、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點而

被經常采用。試驗結果表明：所開發(fā)的線掃描測量機具有較大的測量范圍、較高的

精度和測量速度，具有很高的實用價值。所用的線結構光視覺傳感器工作原理如下：

半導體激光器產生的激光經柱面鏡變成線結構光，投射到被測區(qū)域形成一條激光

帶，用面陣CCD攝像機接收散射光，從而獲得表面被照區(qū)域的截面形狀或輪廓.

2o2o2結構光三維測量方法

結構光三維測量方法主要思想為利用照明中光的幾何結構來獲取景物三維信

息.適用于圖像中場景變化較為緩慢，沒有太多特征，在這種條件下，分析和處理

圖像時采用結構光可以形成比較清楚的光條紋，以此來獲取三維信息。

結構光三維測量技術的主要過程為：測量系統(tǒng)發(fā)射光能量于被測物體表面，通

過光反射得到特征點的投射角度，然后根據(jù)攝像機定標出的空間方向和位置參數(shù)，

基于三角法測量原理計算特征點與相機鏡頭主點之間的距離，完成物體三維測量。

結構光三維測量技術按照所采用的光源形式，可以分為點結構的激光掃描技術，線

結構的光帶掃描技術，全場方式的面結構光技術。激光器用來產生平面激光束，并

且保證投射方向與激光平面平行，在被測物體上形成光條紋帶，圖像中特征點就在

這個條紋上，此時，物體可以看成是一維的，從而對應點的匹配計算更為方便。結構

光三維測量方法的優(yōu)點是所用儀器體積較小，價格較低，容易操作，測量方法簡單

等，常用于三維輪廓測量；然而測量時，測量精度會受到物理光學的限制，測量中

存在遮擋問題。

2o2.3莫爾條紋三維測量法

根據(jù)粗光柵陰影效應，通過測定物體等高線技術，莫爾條紋三維測量法把被測

景物的深度值包含在被測景物表面產生的條紋中，然后再分析計算得出被測景物三

維信息.莫爾條紋三維測量法主要包括以莫爾輪廓法為基礎建立的影像莫爾法、投

影莫爾法和掃描莫爾法等，該方法以基準光柵為核心器件，測量中放在靠近被測物

體表面處，用點光源或者平行光源照射基準光柵，然后通過基準光觀察物體，形成干

涉條紋。

2.2.4傅立葉變換輪廓法

傅立葉變換輪廓法的基本原理為投影光通過光柵產生結構光并映射在待測的

三維景物表面，然后在空間頻域和空間信號域內，對映射的光柵圖像進行傅立葉變

換和數(shù)據(jù)分析處理，提取三維表面信息相比于傳統(tǒng)的莫爾三維測量法，該方法具有

更高的靈敏度，并且會自動區(qū)分景物表面的不規(guī)則變化，同時沒有條紋階次和內插

數(shù)的設置要求，不會產生由光柵圖形的高次諧波成分產生的假的莫爾條紋所引起的

誤差.但是本方法的缺點為，對于斜率較大的景物三維測量時，圖像設備分辨率要求

非常高，而且必須運用運算能力較大的計算機.

2o2.5單目視覺三維測量法

二維圖像作為三維景物的透視，其中包含著很強的三維暗示.單目視覺三維測

量方法采用單攝像機，實驗結構簡單，可以同時測量不同深度的多個目標點。單目視

覺三維測量法主要通過聚焦法和離焦法來獲取二維圖像聚焦法的基本原理是通過

調節(jié)攝像機的像距，使攝像機相對于被測點處于聚焦的位置，并把攝像機的像距和

焦距視作已知，通過透鏡成像公式求得物距.調焦的精度是該方法的關鍵之處，誤差

的產生是由調焦過程中的離焦所引起，實際運用中要注意避免。該方法的優(yōu)點為原

理和結構比較簡單，缺點為鏡頭的景深和焦深會限制測量精度，深度區(qū)域的不同需

要不同的聚焦獲取多幅圖像，測量時間比較長。

2.2.6雙目視覺三維測量法

雙目立體視覺原理：人類在獲取三維信息的各種方式中，雙目視差和運動視差

是最重要的兩種方式。雙目視差主要是指雙眼看到同一物體的不同映像，而運動視

差主要指是頭部運動時看到同一物體的不同映像。視差產生了立體感，人的兩眼間

距平均約為605cm,在觀看景物時，由于觀看角度的細微差別使得兩眼看到的物體

存在微小的差別。這種微小差別反映給大腦綜合計算來感受精確地三維物體，這就

是具有深度的立體感.雙目立體成像系統(tǒng)的工作就是產生存在視差的兩幅立體圖像

對，分別代表左右眼觀看的圖像.而立體顯示系統(tǒng)就是模擬雙目立體視覺，保證在

工作時左眼只看左圖像，右眼只看右圖像，從而產生立體感。

3.總結

接觸式掃面儀和非接觸式掃描儀都有各自的優(yōu)缺點，如非接觸式具備優(yōu)點如

下：1）測量速度快；2）不需進行側頭半徑補償；3）可測量易柔，易碎，不可接觸，

薄壁件等工件;4）不損傷工件表面精度等。缺點如下：1）測量精度不高，特別是是

工件與測頭不垂直時誤差較大；2）較難測量特定的幾何特征和陡峭面；3）工件表面

質量而測量精度影響較大。因此，需要根據(jù)實際的情況選擇接觸式或非接觸式掃描

儀，并且實驗所用的雙目立沐視覺三維測量方法被常用于制造現(xiàn)場的質量控制和在

線非接觸測量，具有精度好、工作效率高、成本低和結構簡單等優(yōu)點，尤其是在運

動物體測量中，圖像獲取往往需要瞬間完成，因此雙目立體視覺三維測量方法是一

種更為有效的測量方法.

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