光學投影式三維輪廓測量技術研究

那晨旭

摘? 要：現如今，最常用在散射物體的宏觀輪廓測量的光學投影式輪廓測量技術有2種，一種為直接三角法，另一種為相位測量法。該文在了解2種方法應用形式的基礎上，明確了如今時代發展對光學投影式三維輪廓測量技術提出的要求，并分別探討了它們的優缺點，分析要想滿足日益革新市場環境的需求，光學投影式輪廓測量技術要如何在未來發展中繼續應用。

關鍵詞：直接三角法;相位測量法;光學輪廓測量;光學投影

中圖分類號：TN249? ? ? ? 文獻標志碼：A

由于物體三維輪廓包括了所有形態信息，所以在對物體三維輪廓進行全方位測量后，能全面掌握物體形狀，并更深入的了解物體信息。因此，在各行企業飛速發展中，隨著民用工業對物體三維輪廓提出了全新的測量要求，市場中涌現出了多種優質測量方法，如直接三角法，相位測量法等，它們不僅能提升工作速度，保證測量的準確性，而且支持并行處理。因此，下面對光學投影式三維輪廓測量技術進行深層探索。

1 光學投影式三維輪廓測量技術分析

物體的三維輪廓測量在多個領域中的作用越發顯著，如醫療診斷、機器人視覺、質量控制等。由于光學測量方法具有非接觸特性，且獲取數據的速度快、沒有威脅、分辨率高，所以現階段已經成為公認的最具發展前景的三維輪廓測量方法。

光學輪廓測量方法的類型很多，如逐點掃描法、散斑干涉法等。以逐點掃描法為例，通過運用光學投影原理可以更好地進行散射物體的宏觀輪廓測量工作。了解當前市場發展趨勢可知，光學投影式輪廓測量技術的應用越來越廣泛，且隨著整體科技技術水平的革新，涌現出了新的內容。該文在研究光學投影式輪廓測量技術時，主要從以下2個方面入手。

1.1 直接三角法

這種方法中包括光切法、激光逐點掃描法及最新提出的二元編碼圖樣投影法。因為3種技術都是以三角測量原理為依據進行工作的，且會根據成像點、投影點及出射點的幾何關系確定物體中點的高度，所以在測量時最為關鍵的是要全面掌握三者關系。下面對3種方法進行簡單說明。1）光切法會引用一維線形圖樣掃描物體，不僅速度比逐點法快，而且測量點也非常簡單。因此，應用范圍較為廣泛，在國際市場也有相關商品出售。2）逐點法是指用一個光點掃描物體，雖然簡單有效，但測量消耗時間長。3）二元編碼圖像投影法會應用時間或/和空間編碼的二維光學圖樣投影，優化實踐測量工作的效率。這種方法在現如今的市場環境中，具有非常廣闊的應用前景。通過對比研究可知，上述3種方法都具備以下優點，如信號處理方便有效，不需要引用復雜條紋分析確定測量點的高度。可以自主研究與分析物體凸凹。即使物體上存在間斷點，也不會影響最終測量結果。而存在的問題為測量的精確度不高，且無法測量全場。

1.2 相位測量法

這種技術會引用光柵圖樣投影到被測物體表面，變形柵像可以解釋為相位和振幅都被調制的空間載頻信號。如果為正弦光柵投影，則物體上各點光強可表示為：

I（x，y）=a（x，y）+b（x，y）

cos[2cf0x+h（x，y）]

其中，a（x，y）代表背景光的變化方向，b（x，y）代表表面反射率的改變，f0屬于投影到參考平面的光柵圖樣空間頻率，c代表空間相位量，而相位h（x，y）代表物體上各個點的高度。雖然這種技術的相位高度轉變也會引用三角法的原理進行操作，但從本質上講依舊是相位測量技術為核心內容，因此與直接三角法有較大區別。

2 光學投影式三維輪廓測量技術的研究及發展方向

2.1 投影形式

為了獲得一臺適用大部分工作的輪廓儀，當前世界各國科研人員正努力提高光學輪廓儀的自主適應性。此時，不僅要求輪廓儀可以結合被測量物體的形狀和數據自主調節投影——接受系統，而且要保證解調算法可以隨著投影圖樣改變。了解國內外最早出現的投影形式可知，幻燈投影儀應用起來不僅方便，而且得到了市場認可。但這種方法與泰伯效應投影光柵有效結合是難以自適應投影的，極容易在運行期間影響工作效率。

應用2個相干波前產生的干涉條紋投影到物體表層是一種比較靈活的方法。目前，剪切干涉儀最常見的應用區域就是投影機構，也有人會結合光纖干涉儀進行投影，但不管是哪種方法都要根據機械結構才能科學調節投影方向和條紋周期。需要注意的是2種干涉條紋都沒有明確定域，因此在各個區域都可以形成清晰的對比度高的正弦干涉條紋。同時，應用干涉儀作為投影機構的系統非常復雜，必須要具備符合標準的機械穩定性和機械移動機構，干涉條紋很容易在大氣擾動下出現問題，因此在實踐發展中受限。

隨著社會經濟和科學技術水平的提高，投影方式也提出了新內容，如將液晶顯示器用于自適應投影機構中。因為這種技術具有性能平穩、操作體積小等優勢，所以現已成為市場發展的流行趨勢。通常情況下，液晶顯示器可以引用到時間/空間相融合的二元編碼圖樣投影中，既可以在有效投影的基礎上，整合處理復雜區域，又能與高靈敏度的相位測量法協調應用。需要注意的是液晶顯示器用于自適應投影機構最大的問題是器件的分辨率過低，且難以進行高精度測量工作。

2.2 疊相還原

這一現象屬于全部引用相位測量輪廓方法都無法避免的難題。上述分析的幾種技術會引用反正切函數計算相位，因此只能返回-π～+π的相位值，換句話說相位對2π卷疊。由此可知，要想構建持續相位分布，要求工作人員必須要按照規定順序搜索相位間斷點，并且通過加減2π的方式修正。這一過程就叫作疊相還原。但更為關鍵的是，此時獲取的相位間斷點不僅包括由算法自身引發的，而且噪聲同樣也可以產生，有的還是被測物體表層真正意義上的物理間斷點。由此可知，要想在無人為因素限制的條件下自主探索是有困難的。同時，在鄰近像素點間的相位高于π時，實際還原工作將難以達到標準化和準確化。

疊相還原技術作為當前條紋研究的重難點，科研人員提出了很多的抗噪聲的疊相還原算法，如割線法、模擬退火法等。需要注意的是，雖然這些內容在現如今的研發與應用中取得了好成績，但它們只能用來解決部分問題，依舊無法從根本上取得成效。從本質上講，現如今只能在理想狀態下由一幅相位圖進行疊相還原，而其他條件根本不符。出現這一現象的原因是，有很多數學問題沒有得到有效處理。現如今，不管是空域還是時域的發展都證明，有價值的自動疊相還原技術必須要實現自動化測量要求。因此，在技術革新的過程中，科研人員必須要整合實踐經驗，持續探索光學投影式輪廓測量系統。

3 結語

總而言之，為了在日益革新的市場環境中更好推廣和應用光學投影式輪廓測量系統，并加快我國科學技術革新的步伐，要求科研人員在整合以往工作經驗的基礎上，加大對實踐應用提出方法的探索。如莫爾等高法、激光逐點掃描法等，不僅在不同條件下展現出了獨特優勢，而且解決了以往工作面臨的難題。同時，還要加大對疊相還原問題的探索，從而促使以相位測量原理為核心的輪廓測量技術可以向著自動化的方向穩步革新。因此，在未來發展中必須要針對有關技術理念進行持續探索，以期可以獲取具備自適應投影能力與圖像處理能力的輪廓測量系統。

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