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1、光通信工程研究中心光通信工程研究中心 光学测量技术与应用光学测量技术与应用 光学三维测量技术光学三维测量技术 王峰王峰 2013/5/16 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术2 三维测量概念：三维测量概念：三维形状测量是获取物体表面各点空间坐 标的技术，得到物体的全部形状信息，形成了三维数字化 技术。 三维形状测量是获取物体表面各点空间坐 标的技术，得到物体的全部形状信息，形成了三维数字化 技术。 应用领域：应用领域：机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩 具、制鞋等民用工业，广泛应用于 机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩 具、制
2、鞋等民用工业，广泛应用于 (CADCAM)、逆向 工程 、逆向 工程(RE)、快速原型、快速原型(RP)及虚拟现实及虚拟现实(VR)等领域。等领域。 分类：分类：宏观三维形状测量与微观表面三维形貌测量技术宏观三维形状测量与微观表面三维形貌测量技术 光学三维测量技术光学三维测量技术 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术3 5.1 物体宏观三维形状测量技术概述物体宏观三维形状测量技术概述 物体三维形状测量主要包括物体三维形状测量主要包括接触式接触式和和非接触式非接触式测量两大类测量两大类 5.1.1 接触式测量接触式测量 典型例子：三坐标测量机
3、(CMM) 典型例子：三坐标测量机(CMM) 优点：灵活性强；优点：灵活性强； 测量精度高且可靠；测量精度高且可靠； 高的智能化程度。高的智能化程度。 缺点：测量速度慢、测量体积小、不能测 量软质物体、对环境要求较高。 缺点：测量速度慢、测量体积小、不能测 量软质物体、对环境要求较高。 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术4 5.1.2 非接触测量法非接触测量法 光学三维测量技术光学三维测量技术 非接触式三维形状测量技术 微波技术 =3 30mm (10 100GHz) 光波技术 =0.5 1m (300 600THz) 超声波技术 =0.
4、1 1mm (0.3 3MHz) 三角法三角法 基于几何角度测 量的深度探测 干涉法干涉法 基于相干光的飞行时 间进行深度探测 飞行时间法飞行时间法 基于非相干光的飞行 时间调制的深度测量 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术5 1.飞行时间法飞行时间法 t0 t0+t z 被测物体 /2zc t 结构简单，但对信号处理系统的时间分辨率有极高 的要求，测量精度低。 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术6 2.干涉法干涉法 测量精度高、但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表 面的形貌
5、和微小位移，不适于宏观物体的检测。 测量精度高、但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表 面的形貌和微小位移，不适于宏观物体的检测。 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术7 3.光学三角法光学三角法 以三角测量为基础，通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度 变化计算该点的深度。 基于三角测量原理的三维测量技术 基于结构光的主动三角法被动三角法 数字摄影测量术 双目视觉 点光源法 点照明 1-D线探测器 2-D扫描 线光源法 线照明 2-D探测器 1-D扫描 面结构光法 面照明 2-D探测器 不需要扫描 光通信工程研究中心光通信工程研究
6、中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术8 被动三角法被动三角法 常用于三维目标的识别、理解以及位形分析等场合。 不考虑测量系统的具体照明情况，一般采用自然光照明。 双目视觉典型的被动三维测量技术。 CCD1 CCD2 监 视 器 监 视 器 原理： 仿生 学 优缺点： 适应能 力强， 计算量 大，精 度低 原理： 仿生 学 优缺点： 适应能 力强， 计算量 大，精 度低 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术9 主动三角法分类主动三角法分类 傅立叶变换轮廓术(FTP) 激光逐点扫描法 直接三角法 光栅投射法 光切法 莫尔轮
7、廓术 相位测量轮廓术(PMP) 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术10 5.1.3 主动宏观三维形状测量技术主动宏观三维形状测量技术 1.测量系统构成：测量系统构成：主要由三部分组成：投影系统、图像接收系统和 信息解调系统。 待 测 表 面 投影系统 图像接 收系统 信息解 调系统 数据 输出 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术11 5.1.3 主动宏观三维形状测量技术主动宏观三维形状测量技术 2.三种基本结构照明方式三种基本结构照明方式 (a)点结构照明(b)线结构照明(c)面结构
8、照明 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术12 5.2 激光三角法测量物体三维形状激光三角法测量物体三维形状 5.2.1 激光三角法的测量原理激光三角法的测量原理 (a)直射式直射式(b) 斜射式斜射式(c) 斜入射斜入射 1 2 3 x a x 3 b 4 1 5 参考面 3 1 2 3 x a x 3 b 2 4 1 5 参考面 A A O O B 1 2 3 x a x 3 b 2 4 5 参考面 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术13 1.斜射式三角法基本原理斜射式三角法基本原
9、理 )sin()sin( cossin 321 21 13 xb ax x 1 2 3 x a x 3 b 2 4 1 5 参考面 A A O O B 待测表面与参考面的距离 Scheimpflug沙伊姆弗勒条件沙伊姆弗勒条件 321 tan)(tan 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术14 2.直射式三角法基本原理直射式三角法基本原理 1 2 3 x a x 3 b 2 4 5 参考面 32 tantan )sin(sin sin 32 2 3 xb ax x Scheimpflug条件 待测表面与参考面的距离 光通信工程研究中心光通信
10、工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术15 5.2.2 激光线光三维形状测量技术激光线光三维形状测量技术 1.测量原理 (a)测量仪测量仪(b) 探测的像 激光线光三角测量法 探测的像 激光线光三角测量法 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术16 5.2.2 激光线光三维形状测量技术激光线光三维形状测量技术 2.基本公式(三角法测量) tantan cossinsin sin)( f fOI OH (1) scheimpflug条件 (2) 面形高度OH与偏移量 间的关系 高度与偏移量成非线性关系 光通信工程研究
11、中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术17 2.基本公式(三角法测量) 将上式改写为： 1 sin)( sincos1 fOI f fOIh 则 11 ba h 其中 sin)( sin , cos fOI f b fOI a 是系统常数 确定 a 和 b，从偏移量 可计算出高度值 h 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术18 3.三维形状测量的信息处理 )() 1( )( nInI nIT np )() 1( )( mImI mIT mq ( )()() qq ipip cpI i ipI ip 确定
12、Gaussian光束中心位置 极值法、阈值法、重心法、 曲线拟合法等 阈值法与重心法相结合确定 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术19 5.2.3 激光同步扫描三维形状测量技术激光同步扫描三维形状测量技术 概念：概念：激光同步扫描的 基本概念在于同步地扫 描投影光线和成像光轴。 优点：优点：在获得大的测量 视场的同时，基本上不 降低距离的测量精度。 原理： 常用扫描器件： 原理： 常用扫描器件：双面镜 扫描系统、多面棱锥镜 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术20 5.3 基于光栅投射
13、的三维形状测量技术 一、基本原理 将一正弦光栅正弦光栅以准直或发散的方式以与观察方向成某一角度投射到 漫反射物体表面上，由于表面的高低不平，在另一方向观察投射条 纹，将得到变形的光栅像变形的光栅像 ，利用相移技术或傅里叶变换方法相移技术或傅里叶变换方法从变 形光栅像中提取受到高度调制的条纹相位信息条纹相位信息，再与参考平面条纹 的相位值比较，形成与参考平面的相位差相位差，经过相位展开和高度的 映射关系，得到物体的三维测量结果。 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术21 5.3 基于光栅投射的三维形状测量技术 光栅投射三维面形测量过程 光通信
14、工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术22 正弦光栅图形被投影到参 考平面上时，其光强可表示： )/2cos(),(),(),( 00 PxyxByxAyxIR 设坐标原点O位于某一光 栅条纹上，该条纹的相位设为 零，则所有点的相位相对于O 点都有一个唯一确定的相位值。 如参考平面上一点C，成像于 探测器的An点，则 2 cc nn为整数20 c 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术23 探测器上An点既可获得参考平面上C点的光栅条 纹，也可获得物体表面上D点的光栅条纹，但D点的 光栅条纹是沿着
15、AD方向投射过来的，因此C和D间存 在着相位差，CD间的相位差可表示为： 0 2 P AC cd 2 0 P AC cd ADC )tan/tan1/(tan 00n ACBD D点相对参考平面的相对高度BD可由确定： 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术24 在通常的测量系统中，探测器（如CCD摄像机） 的感光靶面很小，靶面平行置于被测表面上方，距 离较远，因而近似为90，上式可以化简为 n 00 000 tan 2 tan 2 tan P PACBD e e CDCD 称为系统的有效波长，一个有效波长正好等 于引起2相位变化量的高度差。
16、 e 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术25 AC)(d 00 d lAC ACd lAC BDh 对于发散的投影系统， 条纹的变形使物体表面D点与 参考平面的C点处于探测器的 同一像元上，而D点是由参考 平面上A点的投影光栅线所形 成的，相位的改变在参考平 面上对应于AC，而高度变化 BD由和相似求得 22DI PADC 光通信工程研究中心光通信工程研究中心 2013/5/16光学测量技术与应用光学三维测量技术26 5.3.2 相位测量技术 1.相位测量轮廓术相位测量轮廓术(Phase-measurement profilometry, PMP) 正弦光栅图形投影到物体表面时，被物体表 面高度调制后的光强可表示 ： )
