第 35卷第 3期激光与红外 Vol . 35, No . 3 2005年 3月 LASER & I N FRARE DMarch, 2005・综述与评论・文章编号 :100125078(2005 0320143205光学三维轮廓测量技术进展李永怀 , 冯其波(北京交通大学理学院 , 北京 100044摘要 :, , , , 摄影法 , , 。

关键词 :; :AOvervi ew of Opti cal 3D Profile M easure mentL I Yong 2huai, FENG Q i 2bo(School of Science, Beijing J iaot ong University, Beijing 100044, ChinaAbstract:An overvie w of s ome main op tical methods are p r ovided on 3D shape measure ment, that is ti m e 2of 2flight, structured light, phase measurement, interfer ometry and phot ogra mmetry . Advantages and li m itati ons are discussed, their current research focus and pers pective trend are p resented . Key words:3D measure ment; op tical method; overvie w1引言光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率 , 在 CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用 , 被公认是最有前途的三维轮廓测量方法。

实现光学轮廓测量的方法很多 , 常见的有飞行时间法 , 结构光技术 , 相位法 , 干涉法 , 摄影法。

图 1飞行时间法原理2测量原理2. 1飞行时间法 (Ti m e 2of 2Flight飞行时间法[1]可分为脉冲调制和相位调制 , 其原理如图 1所示。

脉冲调制法是测量系统发射光脉冲到被测物体表面 , 经其反射后被传感器接收 , 测出光脉冲的飞行时间 , 根据光速即可计算出其飞行距离。

测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、起止激光脉冲的鉴别和时间间隔测量 , 而时间间隔的精确测量是影响精度的主要因素。

为了提高测量精度 , 可以采用相位调制。

激光束幅度被正弦调制 , 通过比较发射光束和接受光束之间的位相可计算出雷达与目标之间的距离。

由于相位测量只有在 2π内才是单值 , 为保证测量的精度和测量范围 , 相位法测距采用多个调制频率。

影响测量精度的因素包括调制频率、接收功率变化、频飘及信噪比等。

采用离焦、锁相、外差等技术 , 可以有效提高精度。

相位调制测量法电路要比脉冲调制复杂一些 , 但是减少了带宽 , 而且正弦波相位调制 ,作者简介 :李永怀 (1978- , 男 , 硕士研究生 , 从事激光与光电检测研究。

收稿日期 :2004207222; 修订日期 :2004210225可以获得大的测量视角 , 容易实现微镜扫描 , 得到结构紧凑、低成本的 3D 测量系统。

飞行时间法的分辨力比较低 , 通常在毫米级 , 其主要优点是共轴的光源和反射波光束保证不存在阴影和盲区 , 不需要图像处理 , 在大范围测量中 , 飞行时间法三维扫描是较好的方法。

为了提高测量精度 , 必须提高系统的工作频率。

带宽很大、灵敏度高、热稳定性好的电子没备使得测量装置复杂 , 成本昂贵 , 而且逐点扫描速度慢 , 无法实现实时的深度图像。

要得到三维信息 , 文献 [2], 个目标 , 信号 , , 。

2. 2 (Structured L ight结构光技术[3]是一种主动式三角测量技术 , 其基本原理是 :由激光投射器投射可控制的光点、光条或光面结构 , 光到物体表面形成特征点 , 并由 CCD 摄像机拍摄图像 , 得到特征点的投射角 , 然后根据标定出的空间方向、位置参数 , 利用三角法测量原理计算特征点与 CCD 摄像机镜头主点之间的距离 , 图 2是三角法原理示意图。

结构光方法具有计算简单、体积小、价格低、便于安装和维护的特点 , 在实际三维测量系统中被广泛使用 , 但是测量精度受物理光学的限制[4], 存在遮挡问题 , 测量精度与速度相互矛盾 , 难以同时得到提高。

图 2三角法原理2. 2. 1光点式结构光方法激光束通过扩束聚焦系统成为发散角较小的光束入射到多面体转镜上 , 利用转镜的旋转实现激光束在被测物面垂直与水平两个方向上的扫描 , 完成对整个三维轮廓表面的测量。

光点式三角法依靠逐点扫描获得整个物体的三维形状 , 图像摄取时间和图像处理量随被测物面的增大而急剧增加 , 难以完成实时检测 ; 而且机械扫描机构增加了系统的复杂性与不稳定性 ; 测量精度依测量范围而不同 , 从几微米到一个毫米内。

点结构光技术比较成熟 , RVSI 提供了采样速率 5MHz/s, 2. 25μm 分辨率的 3D 测量系统 ; 而 L M I 有三十几种产品满足不同的测量范围和精度。

2. 2. 2。

3D 测量系统 , 但是视场不大 , 通常为 20°~30°; 对外界光的抗干扰能力差。

采用双光源 [5]、双目视等冗余测量方法[6]可以减少测量“ 盲区” ; 通过降低散斑噪声的影响[7]提高分辨力。

2. 2. 3光面式结构光法将二维结构光图案投射到被测物体表面上 , 无需进行扫描即可完成三维轮廓的测量 , 测量速度大大加快。

根据投射方式和图案的不同 , 面结构光技术分为重复图案投射法和图案编码投射法。

重复图案法是将多光条、色带、网格等图案投射到物体表面 , 常用的是多线和正弦光条。

为了提高分辨力 , 必须减小光条或网格间距 , 但是条纹图案识别变得困难 , 投射图案与图像图案间的匹配是问题的关键。

图案编码分为空间编码和时间编码两种。

空间编码法只需一次投射就可获得景物深度图像 , 适合于动态测量 , 但目前分辨力和处理速度上还不能满足三维视觉检测的要求 , 而且编码图案易受景物表面特性不同而产生的模糊点影响 , 发生译码错误 , 无法判断出光线的投射角。

时间编码需要将多次不同的投射编码图案序列组合起来进行解码 , 二进制编码是较常用的方法。

时间编码法的解码错误大为减少 , 但要求投射空间位置保持不变 , 而且需要多次投射 , 难以实时。

此外还有一些其他的编码原理如反相位线性光栅编码、等腰三角齿编码[8]。

面结构光技术无需机械扫描机构 , 液晶显示器(LCD 、数字微镜器件 (DMD 等空间光调制器 [9]的发展 , 很容易实现二维面结构光的投射 , 从而可实现快速的全场测量。

但目前投射器件分辨力比较低 , 不易实现高精度的测量。

441激光与红外第 35卷2. 3相位测量法[10](Phase Measure ment 投影栅相位法是三维轮廓测量中的热点之一 , 其测量原理是光栅图样投射到被测物体表面 , 相位和振幅受到物面高度的调制使栅像发生变形 , 通过解调可以得到包含高度信息的相位变化 , 最后根据三角法原理完成相位 -高度的转换。

图 3是相位测量法的典型光路图。

根据相位检测方法的不同 , 主要有莫尔轮廓术、移相法、变换法。

图 3相位法原理2. 3. 1莫尔轮廓术基本原理是用一块基准光栅来检测被测轮廓面调制的像栅 , 由观测到的莫尔图样绘出等高线进而推断出物体的表面轮廓。

根据布局的不同又可分为照射莫尔和阴影莫尔。

莫尔轮廓术利用等高线来解调高度信息的方法 , 丢失了符号信息 , 而且只能测量整数级相位 , 现代测量中使用很少。

扫描莫尔法是投影莫尔法的变形 , 利用计算机生成的虚拟栅像和变形栅像迭加成莫尔等高线。

由于虚拟栅像在程序的控制下容易实现移相和移频 , 移相解决了传统莫尔法只能测量整数级相位的缺点 , 提高了测量精度。

扫描莫尔法具有全场测量、装置简单、视场范围大等特点 , 而且只用一幅图解调相位 , 适合动态测量 , 它在检测光滑表面时非常有效 , 但受表面倾斜度、多义性间隔和阴影的限制 ,而且物体表面反射率的变化严重干扰条纹边缘信息 , 使测量精度降低。

2. 3. 2移相法可分为时域移相和空域移相。

时域移相测量技术将投影到物体表面的光栅条纹移动 , 用得到图像进行相位解调。

时域移相法的计算量少 , 灵敏度高 , 但是精确移动光栅的需要增加了系统的复杂性与不稳定性。

时域移相法需要至少三幅在时间轴上的相移条纹图 , 因此不适用于动态测量。

移相法是这些轮廓测量法中最有效、最可靠的一种 , 已经实现了商品化。

空域相移法是采用两个窗函数直接卷积原条纹图 , 从而产生多幅相移条纹图 , 并用时间相移法公式计算相位 , 只需要一幅条纹图解调相位 , 但要求载波频率很高 , 且背景、 , 否则将。

, 和对应的 2. 3常见的方法包括傅里叶变换、小波变换。

傅氏变换[11]轮廓测量法利用数字滤波技术 , 将频率较高的载波和频率较低的面形分离出来 , 然后进行反变换 , 得到包含高度信息的相位。

傅氏变换轮廓测量法用一幅图得到相位值 , 数字滤波技术可以消除高次谐波的影响 , 但是计算量大 , 使用 FFT 产生的泄漏、混频、栅栏效应产生误差 ; 数字滤波器需要不断试错才能得到正确的参数。

小波变换[12]。

傅立叶变换对曲面可测梯度极限有要求 , 同时对复杂形面检测效果很不理想。

利用小波变换对原始图像进行多级小波分解 , 将原始图像和被测物体背景图像相减后再对图像进行频域处理。

由于直流分量被抑制 , 容易提取载波频率成分 , 提高了可测梯度 , 改善了解相的精度稳定性 , 使频域解相技术在实际应用中取得更好的效果 , 扩大了应用范围。

相位测量法目前的困难[8]主要有两点 :投影系统和叠相还原。

为了产生投影条纹 , 用两个相干波前产生的干涉条纹作为投影机构。

这些方法要求良好的机械稳定性以及精确的机械移动机构 , 干涉条纹易受大气扰动的影响。

LCD 、 DMD 等已成为流行的大有前途的自适应投影器件 , 但目前分辨力较低 , 不容易实现高精度测量。

实现相位还原目前有两种方法。

一是用不同条件下记录的多幅相位图实现叠相还原的时域叠相还原技术 , 如文献 [13]使用高低两种频率光栅场实现了去包裹 ; 文献 [14]用小数重合法设计投影频率 , 最终计算出绝对相位值。

这种方法需要记录多幅图样 , 难以实时。