三维光学测试系统应用技术研究

基于结构光的三维形貌视觉测量方法研究

基于结构光的三维形貌视觉测量方法是一种非接触的三维测量方法。其基本测量原理是采用计算机生成一定的结构光图案,用投影仪投射到被测物体表面,物体将对投射的结构光图案产生相位调制,表现为具有一定程度变形的结构光图案。单目系统中利用相移法、傅里叶变换法解调出包裹相位,并进行相位展开,根据系统模型中的相位-高度关系式得到物体的三维坐标。双目系统中,使用格雷码编码结构光图案,完成双目系统的立体匹配,再根据三角法求解得到物体的三维坐标。

本文以结构光为基础,主要研究了单目系统和双目系统相关的三维重建方法,并将重建方法应用到实际物体的测量,主要内容如下:(1)研究了单目系统中的三维重建的方法,指出单目系统三维测量的关键步骤:系统标定和相位展开。在相机-投影仪系统中,建立严格的数学模型并求解相关的参数,以较高精度实现了单目系统三维形貌的恢复。在相位展开方面,采用改进算法能够准确的求解相位主值和进行相位展开,提高了三维形貌恢复的速度和精度。(2)研究了双目系统中三维重建的方法,针对传统的立体匹配方法匹配点数不多的问题,本文采用了格雷码编码结构光图案的方法,使得投影出的结构光图案中每个像素点都拥有唯一码值与其对应,明显提高了双目立体匹配的精度以及点数稠密度。

在三维计算方面,采用基于公垂线的解法合理处理理论与实际的误差,取得很好的效果。(3)在单目系统中摄像机-投影仪系统的标定与在双目系统中相机的标定决定了三维测量的精度。本文采用Bouguet的摄像机标定工具箱,实现了对摄像机较高精度的标定。经过研究,指出投影仪可以看作是逆向的摄像机,采用基于平面的标定方法可以实现对投影仪的较高精度标定。

(4)针对静态目标的高精度测量问题,本文搭建了双目结构光的三维形貌测量系统。采用python-opencv进行编码,利用格雷码编码的方法对静态目标投影42幅编码图案进行重建,建立了一套完整的双目编码结构光的测量系统,静态物体测量精度达到0.2mm,并完成软件实现。

浅谈光学三维测量技术

单位: 长春中国光学科学技术馆 姓名: 刘航 李渌洁 王英鸿 邮编: 130117

摘要: 光学三维测量属于非接触式光学面形测量方法, 能快速正确测量出物体表面形状, 被广泛地应用在机械、 电影等领域。本文概述了光学三维测量技术分类, 介绍了多个常见光学测量技术, 及其在各个领域应用。

关键词: 光学三维测量 三维激光扫描 面结构光

光学三维测量是指利用光学方法获取三维物体表面各点空间坐标方法和技术, 是在现代光学基础上, 将光电子学和计算机图像及信号处理等多学科融合在一起一个优异测量技术。

光学三维测量分类:

图1 光学三维测量技术分类图

光学三维测量技术按测量原理能够分为摄影测量方法、 结构光技术和光学干涉方法。摄影测量法是基于多视几何技术被动测量方法, 通常是在自然光照明情况下, 从两个或者多个视角获取物体图像, 然后依据获取多幅图像同态匹配点还原物体三维形貌。结构光技术关键是利用含有特定几何特征结构光光源照明物体, 利用取得经过物面调制变形结构光位置或图像来实现物体三维形貌测量。光学干涉法是利用干涉原理进行测量, 常见高精度、 高分辨率测量方法之一。以下介绍多个常见光学三维测量方法。

图2 激光测距仪工作原理图

三维激光扫描技术依据光学三角形测量原理, 以激光作为光源, 光电探测器接收反射光, 经过对采集到数据进行计算得到物体深度信息。三维激光扫描仪发射器首先发射一个激光脉冲信号, 信号经物体表面漫反射以后, 沿与原来几乎相同路径反射回接收器。由脉冲激光发射到反射被接收时间tL可计算出扫描点到扫描仪距离值S。扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲水平方向角α和垂直方向角度β。依据上述数据计算出扫描点三维空间坐标（XP、 YP、 ZP）[1]。

图3 双目视觉原理图

双目视觉技术经过视差原理设计被动测量三维数据技术。双目立体视觉三维测量方法基础原理是, 从两个(或者多个)视点去观察同一物体, 方便取得在不一样视角下被测物体二维图像, 然后依据三角测量原理得出图像像素之间坐标偏差（视差）, 在以上基础上取得测量物体三维信息, 这一过程与人类视觉立体感知过程是类似[2]。

光学检测技术在工艺制造中的应用有哪些

一、尺寸测量与几何形状检测

在工艺制造中，精确测量零部件的尺寸和几何形状是确保产品质量的关键环节。光学检测技术中的机器视觉测量系统可以快速、准确地获取物体的二维或三维尺寸信息。例如，在汽车制造中，通过光学相机对发动机缸体、活塞等零部件进行拍照，然后利用图像处理算法，可以精确测量孔径、轴径、平面度等关键尺寸，确保零部件的装配精度。

激光三角测量法也是一种常用的光学尺寸测量技术。它通过激光照射被测物体，然后根据反射光的角度变化来计算物体的高度或深度信息。这种方法适用于测量微小零件的轮廓和表面粗糙度，如电子芯片引脚的高度和间距。

此外，干涉测量技术能够实现纳米级别的高精度尺寸测量。例如，在光学镜片的制造中，利用干涉条纹的变化可以精确测量镜片的曲率半径和厚度，保证镜片的光学性能。

二、表面缺陷检测

产品表面的缺陷会严重影响其性能和外观，因此表面缺陷检测是工艺制造中的重要环节。光学检测技术在这方面具有独特的优势。 机器视觉系统可以通过图像对比和特征提取，检测出金属表面的划痕、裂纹、凹坑等缺陷。在钢铁生产中，利用高清光学相机对钢板表面进行扫描，能够及时发现表面的缺陷，提高产品的合格率。

荧光检测技术则常用于检测零件表面的细微裂纹。将荧光剂涂覆在被测物体表面，在紫外线的照射下，裂纹处会出现荧光，从而实现缺陷的检测。

三、材料性能检测

光学检测技术还可以用于评估材料的性能。例如，通过分光光度计可以测量材料对不同波长光的吸收和反射特性，从而判断材料的成分和纯度。在塑料制造中，这种技术可以帮助检测原料的质量，确保生产出的塑料制品具有稳定的性能。

激光拉曼光谱技术可以分析材料的分子结构和化学键，从而鉴定材料的种类和特性。在制药行业，它可以用于检测药品的成分和纯度，确保药品的质量和安全性。

四、装配精度检测

在产品装配过程中，确保各个零部件的装配精度至关重要。光学检测技术可以提供有效的解决方案。

基于光学技术的三维检测与测量

随着科学技术的不断发展，人们对于实物的量测和检测需求也越来越高。而传统的二维量测方法已经不能满足现代人的需求，更加精准和快速的三维量测方法因此应运而生。其中基于光学技术的三维检测与测量技术非常的受人们的青睐，因其非接触测量、高精度、高速度等特点而得到广泛的应用。

一、 光学三维检测技术

光学三维检测技术是一种通过发射光源，在观测区域内接收返回的光线，利用光学的原理，进行三维形状和尺寸量测的检测技术。光学三维检测具有接触面积小、高精度、高速度等显著特点，是应用相机成像、投影等技术实现的。

目前，光学三维检测技术主要包括结构光法、激光三角测量法、视觉测量法及数字全息术等。

二、 结构光法

结构光法依托于光源对被测物体表面投射光图案进行三维检测。利用由投影器投射的光栅或随机图案，位于另一固定位置的相机采集对应图案，根据成像图案的偏移量，便可推断出相机与目标投影面之间的距离。从而可以计算出被测物体的三维测量结果。 结构光法可以实现高速度测量，准确度比较高，同时也可以适用于很多不规则物体的量测，因此受到了广泛的关注和应用。例如除了常规工业制造过程中的三维量测外，近年来，也引入半导体厂所使用的牛顿环对象检测以及胶合板打孔定位等方面，成功取得了应用。

三、 激光三角测量法

激光三角测量法，顾名思义，就是利用激光进行三角测量，常用于高精度测量。其原理就是三角形中，若知道了两条边的长度和其夹角，那么就可以计算出第三条边的长度。

利用此原理，我们可以将激光光束投射到被测物体表面，观测光线在表面上反射的位置，计算反射位置与投射位置之间的夹角，再与激光光线和被测物体表面法线（直接垂直于表面的一条线）之间的夹角，即可得出被测物体所在空间的位置坐标。一旦给定了空间坐标的数据，就可以得到被测物体的三维形状和尺寸测量结果。

四、 视觉测量法

视觉测量法简单来说，就是利用飞行时间被称为“TOF“的技术（利用飞行时间计算距离），测定距离来获得物体测量数据。视觉测量法主要由以下3个部分组成：光源（可见光/红外光/激光），传感器和信号处理器。 该测量法不仅可以测量三维物体的形状，也可以测量三维空间中的物体位置和姿态。同时可以利用多台相机，从不同角度获得数据，以提升测量精度和可靠度。视觉测量法用途广泛，例如3D人脸捕获和识别，手势识别等方面应用。