艺术品的非接触三维形貌测量

表面三维形貌非接触测量的现状近年来，随着三维数字化技术的突飞猛进，非接触式三维形貌测量也逐渐成为了研究的热点。

其不仅可以提高测量效率、增强测量准确性，还能够充分保护被测物体的表面完整性，避免硬接触带来的破坏。

因此，在生产制造、医疗、文化保护等领域都得到了广泛应用。

目前，非接触式三维形貌测量技术已经有了多种方法，例如：光学测量、激光扫描和结构光测量等。

其中，激光扫描技术是最常用的一种方法。

它的原理是利用激光束在被测物体表面进行扫描，通过收集反射光或散射光进行三维形貌的测量。

这种方法可以在几毫秒内完成对物体表面的扫描，其测量精度达到了数十微米，同时也具备了高速、高效、高精度等优点。

另外，结构光测量也是一种常用的表面三维形貌非接触测量技术。

它的原理是投射光源这一结构图案到被测物体表面，在投射的过程中通过对图案失真的分析，对被测物体表面的形貌进行测量。

与激光扫描技术相比，结构光测量虽然精度相对较低，但其适用于测量范围广泛，包括具有透明、反射等特性的物体。

除此之外，非接触式三维形貌测量技术还应用了光电子器件，如数字相机、CCD相机等，收集物体表面反射的光信号，并通过图像处理技术分析出物体表面的三维形貌。

这种方法不仅可以在较低成本的情况下实现三维形貌测量，而且还可以在人体和生物组织等非金属物体上进行测量。

总的来说，目前表面三维形貌非接触测量技术在多个领域都得到了广泛应用。

在以后的研究中，我们需要通过实验进一步改进技术，提高测量精度和速度，以便更好地适应不同领域的应用需求。

此外，非接触式三维形貌测量技术在制造业中的应用也是非常广泛的。

例如，在零部件加工过程中，这种技术可以非常精确地测量零件的形状和几何参数，从而保证零件的精度和质量。

在金属材料表面的质量检测中，非接触式三维形貌测量技术可以检测表面缺陷，例如凹陷或凸起，从而防止产品的失效或受损。

在文化遗产保护领域，非接触式三维形貌测量技术也发挥了重要作用。

利用这种技术，专家可以对文物进行精确的三维形貌测量，并利用测量结果进行数字化保护和虚拟展示。

文章编号l004-924X （2002）05-0528-05光学非接触三维形貌测量技术新进展陈晓荣，蔡萍，施文康（上海交通大学电子信息学院，上海200030）摘要：三维物体表面轮廓测量是获取物体形态特征的一种重要手段，在机器视觉、自动加工、工业检测、产品质量控制领域具有重要意义和广阔的应用前景。

光学非接触测量由于其高分辨率、无破坏、数据获取速度快等优点而被认为是最有前途的三维形貌测量方法。

介绍了光学非接触测量方法中的光切法、基于调制度测量的原理及优缺点，重点介绍了光栅投射法的测量原理，并分析了其研究热点与发展方向。

关键词：非接触检测；形貌测量；3D 中图分类号：TB92文献标识码：A!引言三维曲面或三维轮廓测量技术广泛应用于工业、科研、国防等领域。

汽车车身、飞机机身、轮船船体、汽轮机叶片等加工制造中的在线检测，特别是大型工件的曲面检测一直是生产中的关键技术难题。

该类工件在车间条件下一般采用靠模法测量，但可测截面少，测量精度低；在计量室条件下采用三坐标测量机测量虽然精度较高，但数据采集速度低，测量成本高，且难于实现在线测量。

鉴于接触式测量方法的局限性，用非接触光学方法来测量物体表面轮廓形状，例如激光三角法、莫尔投影法、工业视觉测量法等具有灵敏度高、速度快、获取数据多等特点，在三维测量中正日益受到重视和广泛应用。

"测量原理从技术上看，光学非接触测量法可分为两类：一类称为被动法，利用图像明暗、纹理、光流等信息求出三维信息，常用于对三维目标的识别、理解以及位置形态的分析；另一类称为主动法，采用结构照明方式，由三维面形对结构光场的空间或时间调制，观察光场中携带了三维面形的信息，对观察光场进行解调，可以得到三维面形数据。

由于后一种方法具有较高的测量精度，因此大多数以三维面形测量为目的的三维传感系统都采用主动三维传感方式。

下面简要介绍光切法、调制度轮廓术，重点介绍光栅投射法。

".!光切法光切法LSM （li g ht-section method ）是近年来在激光逐点扫描法基础上发展起来的一种非接触测量方法。

第1篇一、实验目的本实验旨在通过使用三维光学扫描技术对文物进行立体测量，掌握文物三维数据的获取、处理及展示方法，为文物保护、修复和展示提供技术支持。

二、实验原理三维光学扫描技术是一种非接触式的测量方法，通过扫描文物表面，获取其三维形状和纹理信息。

本实验采用蔡司ATOS Q三维光学扫描仪进行文物立体测量，其原理是利用光学投影和图像采集技术，将文物表面信息转换为数字信号，再通过数据处理软件进行处理，最终得到文物的三维模型。

三、实验材料与设备1. 实验材料：待测文物（如陶瓷器、青铜器等）。

2. 实验设备：- 蔡司ATOS Q三维光学扫描仪- 扫描平台- 蓝光均衡器- 单反相机- 贴图软件- 3D打印设备（可选）四、实验步骤1. 文物准备：将待测文物放置在扫描平台上，确保文物表面平整、光线充足。

2. 扫描参数设置：根据文物尺寸和表面特性，设置扫描参数，如扫描速度、分辨率等。

3. 扫描过程：启动扫描仪，对文物进行扫描。

扫描过程中，注意保持文物表面清洁，避免出现杂波。

4. 数据处理：扫描完成后，将扫描数据导入数据处理软件，进行数据预处理、分割、配准等操作。

5. 纹理映射：使用单反相机拍摄文物高清影像，将影像与三维数据映射贴合，形成带有纹理的三维模型。

6. 数字孪生：将带有纹理的三维模型进行优化，实现文物的数字孪生。

7. 3D打印（可选）：根据需要对文物进行3D打印，制作文物的复制品。

五、实验结果与分析1. 扫描数据：通过蔡司ATOS Q三维光学扫描仪，成功获取了文物的三维数据，包括表面形状、纹理等。

2. 纹理映射：将拍摄的高清影像与三维数据映射贴合，实现了文物的数字孪生。

3. 3D打印（可选）：根据需要对文物进行3D打印，制作了文物的复制品。

实验结果表明，三维光学扫描技术在文物立体测量中具有显著优势，能够有效获取文物的三维数据，为文物保护、修复和展示提供有力支持。

六、实验总结1. 本实验成功运用三维光学扫描技术对文物进行立体测量，掌握了文物三维数据的获取、处理及展示方法。

具有历史价值艺术品的非接触式三维快速测量珍贵的文物、雕塑和艺术品容易腐烂或被盗。

精准的检测系统可以测量亚微米范围内的粗糙度、光谱颜色信息和其他相关特征。

这些数据就像指纹一样对应到每一件艺术品，用于识别被认为丢失的艺术品，并且能够在运输过程中对艺术品进行追踪，避免失窃。

此外，三维表面测量技术为保护技术的发展、修复和艺术研究提供了重要数据。

然而一些文物艺术品具有较大的尺寸，之于大面积快速非接触无损测量方法在这一领域具有特别重要的意义。

通过三维共聚焦显微镜精确地快速测量，保证了样品真实的3D信息与记录分析的高准确性。

多通道3D传感器, 采集数据的预处理，同时每个通道实时监测到的峰高度并保存测量的峰值强度。

从所有途径获取的数据由多通道传感器每秒运作上千次，它的运作类似于线检查相机。

正因为传感器的高采样率，可以以高速移动的物体或传感器，从而可以在很短的时间内进行大面积扫描。

所有采集的高度和强度数据被合并成一个3D地形图像和强度图像，文物艺术品表面纹理形貌等信息也就一目了然了。

图示为艺术品3D扫描测量于2D平面图示。

应用表面测量为清洁和修复敏感的艺术品表面提供了重要的方法。

高度精确的表面特征也可以用来确定一件艺术品的真伪。

艺术品鉴定一笔一画的微观结构就像指纹一样独一无二。

相比耗时且破坏艺术品的实验室检测技术，轮廓光学测量仪可以快速和精确地进行无损鉴定，就像记录和保存指纹一样简单便捷。

恢复与保护当涉及到清洁和恢复珍贵的艺术收藏品时，表面的每一个细节都至关重要的。

艺术品由许多不同的材料组成，如帆布，石头或贵金属，颜料或塑料。

精确的测量结果能为敏感样品寻找合适的清洁方法，从而可以避免对艺术品的损坏。

图示为艺术品三维形貌扫描3D图示。

光学三维测量技术及应用摘要：随着现代科学技术的发展，光学三维测量已经在越来越广泛的领域起到了重要作用。

本文主要对接触式三维测量和非接触式三维测量进行了介绍。

着重介绍了光学三维测量技术的各种实现方法及原理。

最后对目前光学三维测量的应用进行了简单介绍。

1 引言随着科学技术和工业的发展，三维测量技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、反求工程、CAD/CAM以及生物医学工程等方面的应用日益重要。

传统的接触式测量技术存在测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。

光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。

光学测量主要应用在现代工业检测。

借用计算机技术，可以实现快速，准确的测量。

方便记录，存储，打印，查询等等功能。

光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。

随着现代检测技术的进步，特别是随着激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，三维测量技术逐步成为人们的研究重点。

光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用。

2 三维测量技术方法及分类三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。

如图1所示。

图1 三维测量技术分类2.1 接触式测量物体三维接触式测量的典型代表是坐标测量机(CMM，Coordinate Measuring Machine)。

CMM是一种大型精密的三坐标测量仪器[1]，它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。

三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括：（1）灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；（2）测量精度高且可靠；（3）可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能化程度。

工程振动测试技术非接触式测量方法是目前发展较快的一种方法，在以下几种情况下，需要采用非接触式测量方法：01 对附加质量比较敏感，传感器的质量对测量结果影响大，如各种轻薄结构；02 直接接触会对试件产生损毁，如各种文物等；03 在恶劣条件下不能接触，如高温高压的试件；04 接触会改变整个系统，如液体表面等。

三维非接触式形貌测量1.电磁学2.声学3.光学根据测量原理的不同，可分为三类，是各学科的相互交叉和相互渗透的结果。

光学方法可依照光源扫描方法的不同分为点扫描、线扫描和全场扫描。

从被测物的运动状态出发，可分为动态测量和静态测量等。

三维非接触式形貌测量1.电磁学2.声学3.光学根据测量原理的不同，可分为三类，是各学科的相互交叉和相互渗透的结果。

光学方法可依照光源扫描方法的不同分为点扫描、线扫描和全场扫描。

从被测物的运动状态出发，可分为动态测量和静态测量等。

3.光学主动式光学三维测量相位测量轮廓法空间相位检测法调制度测量轮廓法飞行时间法主动三角法莫尔云纹法傅立叶变换轮廓法主动式光学三维测量相位测量轮廓法空间相位检测法调制度测量轮廓法飞行时间法主动三角法莫尔云纹法傅立叶变换轮廓法阴影云纹法将一平行光栅置于物体表面，并用一束与光栅表面法线夹角为γ的光线照射，设观测方向与光栅表面法线夹角为φ，如图所示。

在远处观测，从P点入射的光线（假想P点为光栅透光量最大点），由物体表面反射，为观测者所接受，则形成亮点，一系列这样的亮点形成了亮条纹。

它们必然满足以下的几何关系：在远处观测，从P点入射的光线（假想P 点为光栅透光量最大点），由物体表面反射，为观测者所接受，则形成亮点，一系列这样的亮点形成了亮条纹。

它们必然满足以下的几何关系：ϕγtan tan +=na w 式中w 即为物体上的p’点的高度该方法测量精度较低，同时由于制作大面积的光栅很困难，所以阴影云纹法只适用于小范围的测量。

投影云纹法将一光栅投射到物体表面，用摄像机记录下由于物体表面不平而引起变形的栅线，再与未变形的栅线叠加，产生几何干涉云纹条纹图，分析云纹图就可以得到物体表面的等高线分布图。

光学测量三维形貌的综述汇总光学测量三维形貌是一种非接触式的测量技术，可以实时且非破坏地获取物体表面的三维形貌信息。

这种测量技术在工业制造、医学、文化遗产保护等领域具有广泛的应用。

本文将综述光学测量三维形貌的原理、方法、应用以及未来的发展方向。

光学测量三维形貌的原理是基于光的散射与反射特性。

光线在物体表面的反射或散射会受到物体表面形貌的影响，通过测量光线的变化可以确定物体表面的形状和高度信息。

光学测量三维形貌的主要方法可以分为三种：三角法、光栅投影法和相位移法。

三角法是光学测量三维形貌最常用的方法之一、它基于三角形的几何关系，通过测量物体表面上多个点与光源之间的距离和角度，计算出物体表面的形状和高度信息。

这种方法简单直观，测量精度较高，适用于表面比较平整的物体。

光栅投影法是一种通过投射光栅纹影来测量三维形貌的方法。

它利用光栅的周期性纹理，在物体表面投射一组光栅纹影，通过测量光栅纹影的形变和位移，推导出物体表面的形状和高度信息。

这种方法适用于表面比较复杂的物体，如曲面和薄膜。

相位移法是一种通过测量光波的相位变化来计算三维形貌的方法。

它利用光的干涉原理，通过在物体表面上投射一组相干光束，并通过相位移的测量得到物体表面的高度信息。

这种方法具有测量精度高、适用范围广的优点，但需要复杂的光学系统和数据处理算法。

光学测量三维形貌在工业制造中有广泛的应用。

例如，在汽车制造中，可以用光学测量技术来评估车身的质量和精度；在航空航天制造中，可以利用光学测量技术来检测飞机表面的缺陷和变形；在电子制造中，可以通过光学测量技术对电路板和芯片进行形貌测量。

在医学领域，光学测量三维形貌也具有重要的应用。

例如，可以利用光学测量技术来测量人体的表面形貌，用于人体测量、假肢制造和医学成像；还可以利用光学测量技术对生物组织的表面形貌进行分析和诊断。

光学测量三维形貌的未来发展方向主要包括提高测量精度、扩展测量范围和提高测量速度。

随着光学技术、图像处理算法和计算机性能的不断提高，光学测量三维形貌的应用将更加广泛。

基于机器视觉的非接触式三维测量技术研究如今，随着工业生产的发展，三维测量技术在工业生产、科学研究和医学领域等方面都得到了广泛应用。

传统的三维测量技术往往需要接触式测量，容易造成测量误差，并且不能精确地测量复杂曲面的形状和尺寸。

而基于机器视觉的非接触式三维测量技术则能够解决这些问题，并且具有较高的精度和可靠性，在现代工业生产领域中应用广泛。

一、基于机器视觉的非接触式三维测量原理基于机器视觉的非接触式三维测量技术原理是利用数字图像处理和三维重建技术，利用相机对被测物体进行拍照或录像，然后通过数字图像处理技术将所拍摄到的图像转化为三维模型。

该技术具有不同的工作原理，例如结构光法、三角测量法和投影法等。

三角测量法是基于多个相机拍摄同一物体的不同角度而形成三角测量的方式来测量物体的三维形态和大小。

结构光法是利用光源通过透镜形成一条或多条光条，照射在被测对象上，然后通过从相机获取其反射回的光条的空间相对位置得出三维图像。

投影法则是将多个激光条或光成像在被测物体上，然后通过相机记录下所形成光带的位置达到三维测量。

二、基于机器视觉的非接触式三维测量技术的优点基于机器视觉的非接触式三维测量技术的优点是非常显著的。

首先，该技术不需要接触式测量，减少了人工操作对测量精度的影响。

其次，该技术能够在短时间内完成三维测量，提高了测量效率，缩短了测量时间。

还有，基于机器视觉的非接触式三维测量技术的数据准确性极高，可以测量出微观甚至纳米级别的物体表面形态和大小、位置及周长等等。

三、基于机器视觉的非接触式三维测量技术在多个领域的应用随着基于机器视觉的非接触式三维测量技术的不断发展，该技术在很多领域得到了广泛应用，如下：1、制造业领域基于机器视觉的非接触式三维测量技术在现代制造业中具有广阔的应用前景，可以用于量测工件的尺寸、形状和形位误差等，可用于各种型号的半导体芯片、LCD面板、LED等壹些现代电子产品的生产过程中，有效地实现了在制造过程中的自动化与数字化。

考古挖掘中的最新技术非接触式三维扫描考古挖掘中的最新技术：非接触式三维扫描考古学作为一门专门研究古代人类及其文化、社会的学科，通过挖掘出土文物和遗址来还原历史乃至古代社会的面貌。

然而，传统的考古挖掘往往存在时间长、人力消耗大等问题。

为了更好地进行考古研究，科学家们不断探索和发展新技术。

其中，非接触式三维扫描技术成为考古挖掘中最新应用的技术之一。

一、非接触式三维扫描技术的原理非接触式三维扫描技术基于激光或光学原理。

通过设备发射激光或光学信号，再接收信号的反射，从而获取目标物的表面形态和颜色信息。

这种技术利用计算机图像处理和三维重建算法，可以精确地生成物体的三维模型。

二、非接触式三维扫描技术在考古中的应用1. 遗址勘探与规划：利用非接触式三维扫描技术，考古学家可以对遗址进行非破坏性的全方位扫描，并将获取的数据导入计算机软件，生成真实的三维模型。

这样，考古学家们不仅可以全面了解遗址的地貌特征和构造，还可以更准确地进行遗址规划和勘探。

2. 文物保护与修复：非接触式三维扫描技术可以帮助考古学家们对文物进行数字化保护。

通过对文物进行扫描，可以精确还原其形态特征，并进行模拟修复。

同时，将这些数字化的文物模型存储于数据库中，可以有效地减少文物接触和损坏的风险。

3. 古建筑保护与研究：许多古建筑具有重要的历史和文化价值，而传统的手工勘察方法存在一定的局限性。

借助非接触式三维扫描技术，考古学家们可以实时获取建筑的三维数据，并进行精确的分析和研究。

这种技术的应用不仅可以更好地保护古建筑，还可以为修复和保养工作提供指导。

4. 遗址再现与展示：通过非接触式三维扫描技术，考古学家们可以将遗址的三维模型进行数字化处理，并利用虚拟现实技术进行再现和展示。

这样可以使广大公众更直观地了解古代遗址的面貌和历史意义，增强保护遗址的意识。

三、非接触式三维扫描技术的优势1. 非破坏性：非接触式三维扫描技术可以实现对文物和遗址的非破坏性扫描，避免了直接接触可能带来的损伤。

非接触式三维形态测量技术研究在工业领域中，精准的测量技术能够节省时间和成本，提高生产效率。

而随着技术的不断发展，非接触式三维形态测量技术也越来越受到人们的重视。

非接触式三维形态测量技术是采用光学、激光等手段获取被测对象表面的三维坐标数据的一种方法。

与传统的接触式测量相比，这种技术不需要接触被测物体，能够实现快速、高精度的三维形态测量。

目前，非接触式三维形态测量技术已经被广泛应用于汽车、航空、机器人等领域。

在汽车工业中，非接触式三维形态测量技术能够实现车身、发动机、底盘等部件的测量和检测，并且能够实时跟踪物体的变化。

在航空工业中，该技术能够对飞机电子设备、机翼等部件进行快速准确的测量，提高了飞行安全性。

在机器人领域，非接触式三维形态测量技术能够实现机器人的姿态控制和路径规划，提高机器人的自主性和智能化程度。

非接触式三维形态测量技术的实现主要依靠三维扫描仪。

三维扫描仪包括光学扫描仪、激光扫描仪、多光源三角测量仪等多种类型，其中激光扫描仪在工业应用中占据了重要地位。

激光扫描仪是一种能够通过激光束扫描物体表面，生成三维坐标点云数据的设备。

其原理是利用光学干涉测量的方法，通过光栅衍射将激光束分成多条光束，通过对物体表面不同位置激光束反射时间的测量，确定被测物体表面点的位置，进而重构三维模型。

在实际应用中，非接触式三维形态测量技术面临着一些挑战。

首先是测量精度问题。

由于光束在穿过空气、透过物体表面等因素影响下，可能会发生漂移、散射等问题，导致测量结果产生偏差。

其次是数据处理问题。

三维扫描仪采集到的数据量非常庞大，需要进行大量的数据处理和分析，才能得出具体的测量结果和原始数据。

同时，在复杂的几何形状、光线干扰等情况下，数据处理的难度也会增加。

还有就是设备的成本、环境适应性等问题也需要亟待解决。

近几年，针对非接触式三维形态测量技术面临的问题，国内外学者琢磨出了一些解决办法。

例如，在硬件方面，人们正在研究开发新型的激光扫描仪、多传感器集成式测量仪等设备，提升测量精度和速度。