光學(xué)三維測(cè)量在汽車行業(yè)的解決方案

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)三維測(cè)量已經(jīng)在越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域起到了重要作用。主要對(duì)接觸式三維測(cè)量和非接觸式三維測(cè)量進(jìn)行了介紹。著重介紹了光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)的各種實(shí)現(xiàn)方法及原理。最后對(duì)目前光學(xué)三維測(cè)量的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

三維測(cè)量技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)、質(zhì)量控制、機(jī)器人視覺、反求工程、CAD/CAM以及生物醫(yī)學(xué)工程等方面的應(yīng)用日益重要。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量技術(shù)存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、需進(jìn)行測(cè)頭半徑的補(bǔ)償、不能測(cè)量彈性或脆性材料等局限性，因而不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。

光學(xué)測(cè)量是光電技術(shù)與機(jī)械測(cè)量結(jié)合的高科技。光學(xué)測(cè)量主要應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)。借用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速，準(zhǔn)確的測(cè)量。方便記錄，存儲(chǔ)，打印，查詢等等功能。

光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的智能化、可視化的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以得到物體的三維輪廓，獲得物體表面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，特別是隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，三維測(cè)量技術(shù)逐步成為人們的研究重點(diǎn)。光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)由于非接觸、快速測(cè)量、精度高的優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械、汽車、航空航天等制造工業(yè)及服裝、玩具、制鞋等民用工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。 2 三維測(cè)量技術(shù)方法及分類

三維測(cè)量技術(shù)是獲取物體表面各點(diǎn)空間坐標(biāo)的技術(shù)，主要包括接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢悺?/p>

接觸式測(cè)量

物體三維接觸式測(cè)量的典型代表是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是一種大型精密的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，它以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用電子、計(jì)算機(jī)、光學(xué)和數(shù)控等先進(jìn)技術(shù)，能對(duì)三維復(fù)雜工件的尺寸、形狀和相對(duì)位置進(jìn)行高精度的測(cè)量。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為現(xiàn)代大型精密、綜合測(cè)量?jī)x器，有其顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括：

（1）靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)量，方便地測(cè)量各種零件的三維輪廓尺寸及位置參數(shù)；（2）測(cè)量精度高且可靠；（3）可方便地進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算與程序控制，有很高的智能化程度。

早期的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)大多使用固定剛性測(cè)頭，它最為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)也很多。主要為（1）測(cè)量時(shí)操作人員憑手的感覺來(lái)保證測(cè)頭與工件的接觸壓力，這往往因人而異且與讀數(shù)之間很難定量描述；（2）剛性測(cè)頭為非反饋型測(cè)頭，不能用于數(shù)控坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上；（3）必須對(duì)測(cè)頭半徑進(jìn)行三維補(bǔ)償才能得到真實(shí)的實(shí)物表面數(shù)據(jù)。針對(duì)上述缺陷，人們陸續(xù)開發(fā)出各種電感式、電容式反饋型微位移測(cè)頭，解決了數(shù)控坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)測(cè)量的難題，但測(cè)量時(shí)測(cè)頭與被測(cè)物之間仍存在一定的接觸壓力，對(duì)柔軟物體的測(cè)量必然導(dǎo)致測(cè)量誤差。另外測(cè)頭半徑三維補(bǔ)償問題依然存在。三維測(cè)頭的出現(xiàn)可以相對(duì)容易地解決測(cè)頭半徑三維補(bǔ)償?shù)碾y題，但三維測(cè)頭仍存在接觸壓力，對(duì)不可觸及的表面（如軟表面，精密的光滑表面等）無(wú)法測(cè)量，而且測(cè)頭的掃描速度受到機(jī)械限制，測(cè)量效率很低，不適合大范圍測(cè)量。

非接觸式測(cè)量

非接觸式測(cè)量技術(shù)是隨著近年來(lái)光學(xué)和電子元件的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的，其測(cè)量基于光學(xué)原理，具有高效率、無(wú)破壞性、工作距離大等特點(diǎn)，可以對(duì)物體進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的測(cè)量。此類技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)和工藝控制中，可大大節(jié)約生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研制周期，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因而倍受人們的青睞。隨著各種高性能器件如半導(dǎo)體激光器LD、電荷耦合器件CCD、CMOS圖像傳感器和位置敏感傳感器PSD等的出現(xiàn)，新型三維傳感器不斷出現(xiàn)，其性能也大幅度提高，光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。

非接觸式三維測(cè)量不需要與待測(cè)物體接觸，可以遠(yuǎn)距離非破壞性地對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量。其中，光學(xué)非接觸式測(cè)量是非接觸式測(cè)量中主要采用的方法。

光學(xué)非接觸式三維測(cè)量的概述

光學(xué)非接觸式三維測(cè)量技術(shù)根據(jù)獲取三維信息的基本方法可分為兩大類：被動(dòng)式與主動(dòng)式。

主動(dòng)式是利用特殊的受控光源（稱為主動(dòng)光源）照射被測(cè)物，根據(jù)主動(dòng)光源的已知結(jié)構(gòu)信息（幾何的、物體的、光學(xué)的）獲取景物的三維信息。被動(dòng)式是在自然光（包括室內(nèi)可控照明光）條件下，通過攝像機(jī)等光學(xué)傳感器攝取的二維灰度圖像獲取物體的三維信息。

光學(xué)被動(dòng)式三維測(cè)量

由于被動(dòng)式?jīng)]有受控的主動(dòng)光源，無(wú)需復(fù)雜的設(shè)備，并且與人類的視覺習(xí)慣比較接近。被動(dòng)式測(cè)量技術(shù)主要用于受環(huán)境約束不能使用激光或特殊照明光的場(chǎng)合，或者由于保密需要的軍事場(chǎng)合。一般是從一個(gè)或多個(gè)攝像系統(tǒng)獲取的二維圖像中確定距離信息，形成三維面形數(shù)據(jù)，即單目、多目視覺。當(dāng)從一個(gè)攝像系統(tǒng)獲取的二維圖像中確定信息時(shí)，人們必須依賴對(duì)于物體形態(tài)、光照條件等的先驗(yàn)知識(shí)。如果這些知識(shí)不完整，對(duì)深度的計(jì)算可能產(chǎn)生錯(cuò)誤。從兩個(gè)或多個(gè)攝像系統(tǒng)獲取的不同視覺方向的二維圖像中，通過相關(guān)或匹配等運(yùn)算可以重建物體的三維面形。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)信息過分簡(jiǎn)單或過分復(fù)雜，以及被測(cè)目標(biāo)上各點(diǎn)反射率沒有明顯差異時(shí)，這種計(jì)算變得更加復(fù)雜。

以兩個(gè)攝像機(jī)為例，雙攝像機(jī)的系統(tǒng)又稱為雙目視覺系統(tǒng)，雙目視覺系統(tǒng)的幾何關(guān)系是非常簡(jiǎn)單明確的，但由于遮掩或陰影的影響，被測(cè)物體某些部分有可能只出現(xiàn)在立體點(diǎn)對(duì)的一個(gè)觀察點(diǎn)上。有時(shí)CCD圖像傳感器由于能量被物體表面大量吸收而得不到足夠的、由物體反射回來(lái)的能量，滿足對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配計(jì)算的候選點(diǎn)有可能出現(xiàn)假對(duì)應(yīng)。因此，被動(dòng)三維傳感的方法常常用于對(duì)三維目標(biāo)的識(shí)別、理解以及用于位置、形態(tài)分析，這種方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，目前在機(jī)器視覺領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。立體視覺的基本幾何模型如圖3[4]所示。

雙目立體視覺 (Stereo Vision)根據(jù)同一空間點(diǎn)在不同位置的兩個(gè)相機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝像機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來(lái)獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。一個(gè)完整的立體視覺系統(tǒng)通常可分為六大部分，包括：

（1）圖像采集。即通過圖像傳感器如數(shù)碼相機(jī)等獲得圖像并將其數(shù)字化。

（2）攝像機(jī)標(biāo)定。就是通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得到攝像機(jī)內(nèi)外等參數(shù)。

（3）特征提取。它是指從立體圖像對(duì)中提取對(duì)應(yīng)的圖像特征，以進(jìn)行后面的處理。

（4）圖像匹配。它將同一空間點(diǎn)在不同圖像中的映像點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái)，由此得到視差圖像。

（5）三維信息恢復(fù)：由相機(jī)標(biāo)定參數(shù)和兩幅圖像像點(diǎn)的視差關(guān)系，求出場(chǎng)景點(diǎn)的深度信息，把不同的深度信息量化為不同的灰度值來(lái)表示，進(jìn)而恢復(fù)景物的三維信息。

（6）后處理：因恢復(fù)的三維信息有不連續(xù)性，所以要對(duì)恢復(fù)出的三維信息進(jìn)行后處理。

立體視覺法廣泛應(yīng)用于航空測(cè)量、機(jī)器人的視覺系統(tǒng)中，雙目、多目以及多幀圖像序列等立體視覺問題已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

光學(xué)主動(dòng)式三維測(cè)量

目前，主動(dòng)式光學(xué)三維測(cè)量測(cè)量技術(shù)已廣泛用于工業(yè)檢測(cè)、反求工程、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。例如，復(fù)雜的葉輪和葉片的面形檢測(cè)，汽車車身的檢測(cè)，人類口腔牙型測(cè)量，整形外科效果評(píng)價(jià)，用于制鞋CAD的鞋楦三維數(shù)據(jù)采集，各種實(shí)物模型的三維信息記錄與仿形等。三維高速度、高精度測(cè)量技術(shù)將隨著測(cè)量方法的完善和信息獲取與處理技術(shù)的改進(jìn)而進(jìn)一步發(fā)展，在新的更加廣闊的研究和應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

主動(dòng)式光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)大體上可分為飛行時(shí)間法、主動(dòng)三角法、莫爾輪廓術(shù)、投影結(jié)構(gòu)光法、自動(dòng)聚焦法、離焦法、全息干涉測(cè)量法、相移測(cè)量法等。以下對(duì)幾種主要的方法進(jìn)行以下簡(jiǎn)單介紹。

飛行時(shí)間法

飛行時(shí)間法是基于三維面形對(duì)結(jié)構(gòu)光束產(chǎn)生的時(shí)間調(diào)制，一般采用激光，通過測(cè)量光波的飛行時(shí)間來(lái)獲得距離信息，結(jié)合附加的掃描裝置使光脈沖掃描整個(gè)待測(cè)對(duì)象就可以得到三維數(shù)據(jù)。飛行時(shí)間法以對(duì)信號(hào)檢測(cè)的時(shí)間分辨率來(lái)?yè)Q取距離測(cè)量精度，要得到高的測(cè)量精度，測(cè)量系統(tǒng)必須要有極高的時(shí)間分辨率，常用于大尺度遠(yuǎn)距離的測(cè)量。

干涉測(cè)量是將一束相干光通過分光系統(tǒng)分成測(cè)量光和參考光，利用測(cè)量光波與參考光波的相干疊加來(lái)確定兩束光之間的相位差，從而獲得物體表面的深度信息。這種方法測(cè)量精度高，但測(cè)量范圍受到光波波長(zhǎng)的限制，只能測(cè)量微觀表面的形貌和微小位移，不適于大尺度物體的檢測(cè)。

編碼、彩色編碼、相位編碼以及混合編碼等。結(jié)構(gòu)光法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量分辨率高、速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量，圖像傳感器和投射器不需要遵守嚴(yán)格的幾何位置關(guān)系；通過編碼和解碼確定出射點(diǎn)與成像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以很好的解決特征匹配問題。

結(jié)構(gòu)光一般分為云紋法和投影結(jié)構(gòu)光法，投影結(jié)構(gòu)光法（如圖5[3]）是一類面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)，它采用光學(xué)投射器將光柵投影于被測(cè)物體表面，被表面形狀所調(diào)制的光柵條紋由另一位置的相機(jī)拍攝，從而獲得二維變形條紋圖像。條紋的變形程度取決于投射器與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置和物體表面的高度，條紋在法線方向的位移（或偏移）與物體表面高度成比例。當(dāng)光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置一定時(shí)，由變形的條紋圖像便可以重現(xiàn)物體表面形廓，即可以進(jìn)行三維表面形貌測(cè)量。投影條紋法因具有測(cè)量速度快、易自動(dòng)化、柔性好和全場(chǎng)測(cè)量的特點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外三維形貌測(cè)量技術(shù)研究發(fā)展的重點(diǎn)。

常近十幾年，基于條紋投影的三維模型測(cè)量方法在關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用上已獲得了重大突破，已經(jīng)形成商品逐漸地應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域?？梢詫?shí)現(xiàn)精度高達(dá)對(duì)象物體尺寸1/150000以上的全自動(dòng)三維測(cè)量，三測(cè)量精度≤0.10mm/4m，已在豐田、日產(chǎn)、馬自達(dá)、佳能等企業(yè)應(yīng)用；德國(guó)KaVo公司研制出腔修復(fù)治療車，其治療過程簡(jiǎn)便、快捷、舒適；德國(guó)GOM公司的Atos系統(tǒng)已在通用、雷諾著名企業(yè)中得到成功的應(yīng)用；可快速測(cè)量物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)多視角的模型數(shù)據(jù)拼合；瑞士TESA公司發(fā)出VISIO等一系列非接觸三維測(cè)量裝置；這其中包括人身掃描系列、精密軸系列、手持系列等等，并成功地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)、質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域。。。。。。

小結(jié)