淺談光學(xué)三維測量技術(shù)

劉航 李淥潔 王英鴻

摘 要：光學(xué)三維測量屬于非接觸式光學(xué)面形測量方法，能快速準(zhǔn)確測量出物體的表面形狀，被廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、電影等領(lǐng)域。文章概述了光學(xué)三維測量技術(shù)的分類，介紹了幾種常見的光學(xué)測量技術(shù)及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光學(xué)三維測量；三維激光掃描；面結(jié)構(gòu)光

光學(xué)三維測量是指運(yùn)用光學(xué)方法獲取物體表面的三維立體坐標(biāo)的技術(shù)。光學(xué)三維測量利用現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)成就，結(jié)合光電子學(xué)、計算機(jī)圖像處理等學(xué)科成就發(fā)展起來的一種先進(jìn)測量技術(shù)。

1 光學(xué)三維測量的分類

圖1 光學(xué)三維測量技術(shù)分類圖

光學(xué)三維測量技術(shù)按測量原理可以分為攝影測量方法、結(jié)構(gòu)光技術(shù)和光學(xué)干涉方法。攝影測量法是基于多視角的非主動式測量方法。在普通照明（陽光、日光燈）情況下，由攝像頭獲取多視角物體圖像，利用計算機(jī)查找多幅圖像的同態(tài)標(biāo)記點(diǎn)，進(jìn)而獲得物體的表面形貌。結(jié)構(gòu)光技術(shù)通過不同寬度且明暗相間的結(jié)構(gòu)光照射被測物體表面，獲取到的經(jīng)物體調(diào)制的圖像，再經(jīng)過計算獲取物體的立體形貌信息。光學(xué)干涉法是利用干涉原理進(jìn)行測量，具有高精度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。以下介紹幾種常見的光學(xué)三維測量方法。

圖2 三維激光掃描工作原理圖

三維激光掃描技術(shù)根據(jù)光學(xué)三角形測量原理，以激光作為光源，光電探測器接收反射光，通過對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得到物體的深度信息。三維激光掃描儀包括發(fā)射器和接收器。發(fā)射器射出一束脈沖激光，激光經(jīng)過物體表面漫反射，沿相同路線射入接收器。由脈沖激光發(fā)射到反射被接收的時間tL可計算出掃描點(diǎn)到掃描儀的距離值S。掃描儀內(nèi)精密測量系統(tǒng)獲取每個激光脈沖的水平方向角α和垂直方向角度β。依據(jù)上述數(shù)據(jù)計算出掃描點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)（XP、YP、ZP）[1]。

雙目視覺技術(shù)屬于攝影測量方法，是通過視差原理被動測量三維數(shù)據(jù)的技術(shù)。雙目視覺技術(shù)測量物體三維形貌的原理是，從兩個或以上的視角去觀察一個物體，獲得多張不同視角下物體的二維圖片，根據(jù)三角測量原理得出同一個像素點(diǎn)的坐標(biāo)偏差，以此獲得測量物體的三維形態(tài)。此過程與人眼的立體視覺原理相類似[2]。

面結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)由投影儀和數(shù)碼相機(jī)組成。投影儀將明暗相間光柵條紋投影到待測物體上。物體高度的變化引起光柵條紋的形變。條紋形變可認(rèn)為是載波信號相位和振幅被空間物體調(diào)制。數(shù)碼相機(jī)拍攝調(diào)制后的圖像，對其進(jìn)行解調(diào)制，獲得物體的整個高度信息值，依照三角法原理，形成物體的三維立體影像[3]。

2 光學(xué)三維測量的應(yīng)用

光學(xué)三維測量技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，如非接觸式測量、高精確度、快速獲得結(jié)果等。光學(xué)三維測量技術(shù)主要應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)、逆向工程、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)

利用光學(xué)三維測量技術(shù)對實(shí)物外形進(jìn)行三維形貌掃描，經(jīng)過三維建模軟件處理，在計算機(jī)內(nèi)生成人物、場景的三維模型。由三維模型生成人物動作，實(shí)現(xiàn)動畫制作，滿足電腦游戲、CG特效等場合需要。

2.2 逆向工程

逆向工程是利用光學(xué)三維測量設(shè)備獲取物體表面上所有點(diǎn)的三維立體坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)信息利用三維設(shè)計軟件進(jìn)行實(shí)物模型重建的過程。逆向工程獲得的模型被用于改進(jìn)、完善原有的產(chǎn)品，被廣泛地應(yīng)用到磨具開發(fā)、汽車制造等領(lǐng)域，是現(xiàn)代產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。

2.3 生物、醫(yī)學(xué)工程

運(yùn)用光學(xué)三維測量技術(shù)獲得人體骨骼、肌肉的數(shù)據(jù)用于人體工程學(xué)研究。例如根據(jù)人體相關(guān)三維數(shù)據(jù)，制作出符合人體生理結(jié)構(gòu)的防護(hù)頭盔、防護(hù)服等。三維光學(xué)測量技術(shù)還可以測量傷口的尺寸、分析人的面部結(jié)構(gòu)、設(shè)計牙齒矯形手術(shù)等。

參考文獻(xiàn)

[1]潘建剛.基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：首都師范大學(xué)，2005.

[2]隋婧，金偉其.雙目立體視覺技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其進(jìn)展[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（10）：4-7.

[3]宋萬忠，蘇顯渝.基于結(jié)構(gòu)光投影的三維物體識別[J].光電子·激光，1999，10（1）：59-62.

作者簡介：劉航（1986-），男，吉林長春人，職稱：研究實(shí)習(xí)員，學(xué)歷：碩士，主要研究方向：光學(xué)。