1、光學(xué)三維測(cè)量技術(shù),郗珍妹 物研1306班 13126003,1,2,光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的智能化，可視化的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以得到物體的三維輪廓，獲得物體表面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)由于非接觸、快速測(cè)量、精度高的優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械、汽車、航空航天等制造工業(yè)及服裝、玩具、制鞋等民用工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，其中三維激光掃描技術(shù)發(fā)展的最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。,3,物體三維接觸式測(cè)量的典型代表是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM，Coordinate Measuring Machine)。,非接觸式三維測(cè)量不需要與待測(cè)物體接觸，可

2、以遠(yuǎn)距離非破壞性地對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量。,4,圖1：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),5,6,7,8,1、飛行時(shí)間法：,一個(gè)激光脈沖信號(hào)從發(fā)射器發(fā)出，經(jīng)待測(cè)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回接收器，檢測(cè)光脈沖從發(fā)出到接受時(shí)刻的時(shí)間延遲t，就可以計(jì)算出距離z。 z= 2 結(jié)合附加的掃描裝置使光脈沖掃描整個(gè)物體就可以得到三維面型數(shù)據(jù)。 飛行時(shí)間法以對(duì)信號(hào)檢測(cè)的時(shí)間分辨率來(lái)?yè)Q取距離測(cè)量精度要得到高的測(cè)量精度，測(cè)量系統(tǒng)必須要有極高的時(shí)間分辨率。,9,2、干涉法：,一束相干光，同過(guò)分光系統(tǒng)分成測(cè)量光和參考光，利用測(cè)量光波和參考光波的相干疊加來(lái)確定兩束光之間的相位差，從而獲得物理表面的深度信息Z(xy). 這種測(cè)量方法

3、測(cè)量精度高，但測(cè)量范圍受到光波波長(zhǎng)的限制，只能測(cè)量圍觀表面的形貌和微小位移，不適于宏觀物體的檢測(cè)。,10,3、三角測(cè)量法：,光學(xué)三角法是最常用的一種光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)，以傳統(tǒng)的三角測(cè)量為基礎(chǔ)，通過(guò)待測(cè)點(diǎn)相對(duì)于光學(xué)基準(zhǔn)線偏移產(chǎn)生的角度變化計(jì)算該點(diǎn)的深度信息。根據(jù)具體照明方式的不同，光學(xué)三角法可分為兩大類：被動(dòng)三角法和基于結(jié)構(gòu)光的主動(dòng)三角法。,11,12,13,直射式三角法：激光器發(fā)出的光垂直入射到被測(cè)物體表面，Scheimpflug 條件可表示為 tan 2 = tan 3 待測(cè)表面與參考面的距離x為 = tan 3 sin 2 sin 2 + 3 同理可計(jì)算出斜射式時(shí)x為 = sin 3 cos

4、 1 sin 1 sin 1 + 3,14,逆向工程是一種新的制造手段和系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)已有樣件或模型的內(nèi)外輪廓進(jìn)行精確測(cè)量，獲得其三維數(shù)據(jù)，配合計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行曲面重建，并在線精度分析、評(píng)價(jià)構(gòu)造效果，重構(gòu)CAD模型，生成IGES或STL數(shù)據(jù)，或者生成數(shù)控加工NC代碼，據(jù)此進(jìn)行快速成型或CNC數(shù)控加工，從而大大縮短產(chǎn)品或模具的開(kāi)發(fā)制造周期。利用光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)生成的虛擬模型可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)制造，3D光學(xué)數(shù)字化系統(tǒng)與CAD/CAM/CAE以及RP&M集成可以構(gòu)成基于虛擬模型的快速響應(yīng)的設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)，主要優(yōu)點(diǎn)包括：實(shí)際物體的準(zhǔn)確和完整的模型；提供原始CAD文件格式；曲面造型和參數(shù)實(shí)體模型；在設(shè)

5、計(jì)和制造中節(jié)省投入的時(shí)間和資金。,1、逆向工程：,15,16,條紋投影的三維成像系統(tǒng)實(shí)例,17,2、三維人體測(cè)量：,三維人體測(cè)量是以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)，使用視覺(jué)設(shè)備來(lái)捕獲物體外形，然后通過(guò)系統(tǒng)軟件來(lái)提取掃描數(shù)據(jù)。其工作流程分為以下四個(gè)步驟：1)通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的光源照射掃描物體；2)CCD攝像頭探測(cè)來(lái)自被掃描物體的反射圖像；3)通過(guò)反射圖像計(jì)算人體表面特定點(diǎn)到攝像頭的距離；4)通過(guò)軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換距離數(shù)據(jù)產(chǎn)生三維圖像。,18,3、醫(yī)學(xué)圖像三維表面重建：,現(xiàn)代醫(yī)療診斷常常需要借助一些輔助設(shè)備為診斷提供可靠的、完整的信息，因此，人體組織與器官的三維成像技術(shù)在現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中起著越來(lái)越重要的作用. 醫(yī)生可以將重構(gòu)

6、出的器官圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)縮放等操作，使醫(yī)生能夠更充分地了解病情的性質(zhì)及其周圍組織的三維結(jié)構(gòu)關(guān)系，從而幫助醫(yī)生做出準(zhǔn)確的診斷和制定正確的手術(shù)方案。,19,3、醫(yī)學(xué)圖像三維表面重建： 光學(xué)三維測(cè)量還廣泛用于研究面部軟組織形態(tài)和對(duì)稱性，比較牙齒的差異，以及外科、骨科用于脊柱及側(cè)凸的檢測(cè)，假牙假肢的量身定做。如圖：,生物醫(yī)學(xué)成像實(shí)例,20,除此之外，光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)還可以用于 1、虛擬現(xiàn)實(shí) （提供虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所需要的大量三維模型數(shù)據(jù)，展示三維景像，模擬未知環(huán)境和模型）； 2、文物保護(hù) （三維彩色數(shù)字化技術(shù)能以不損傷物體的手段，獲得文物的三維信息和表面色彩、紋理，便于長(zhǎng)期保存、再現(xiàn)）等諸多領(lǐng)域。,21,光學(xué)三維信息獲取技術(shù)有多種，每種方法各有其產(chǎn)生背景和適用范圍，各有優(yōu)缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，計(jì)算機(jī)圖形圖像處理、輔助設(shè)計(jì)、多媒體技術(shù)越來(lái)越廣泛深入地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)學(xué)、影視業(yè)、廣告等各個(gè)領(lǐng)域，人們經(jīng)常需要能迅速地獲得物體表面的三維信息