三维形貌测量综述翻译.docx
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三维形貌测量综述翻译
光学测量三维形貌综述
FrankChen
FordMotorCompany
Research&VehicleTechnology
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20000RotundaDr.,P.O.Box2053
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Dearborn,Michigan48121
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摘要
第一部分，我们将总体了解光学测量三维形貌的方法。
第二部分，我们把重心集中在各种不同的光学结构、图像采集技术、数据后期处理和分析、以及其优缺点，并介绍一些工业中的实际应用，讨论其中重要领域的研究与开发。
最后，我们将列出一份有关光学测量三维形貌的广泛参考书目。
©2000SocietyofPhoto-OpticalInstrumentationEngineers.[S0091-3286（00）00101-X]
关键词：
三维形貌测量；坐标测量；光学方法；综述
手稿日期：
1999年07月12日
校订日期：
1999年08月23日
出版日期：
1999年08月23日
ABSTRACT
Wefirstprovideanoverviewof3-Dshapemeasurementusingvariousopticalmethods.Thenwefocusonstructuredlighttechniqueswherevariousopticalconfigurations,imageacquisitiontechniques,datapostprocessingandanalysismethodsandadvantagesandlimitationsarepresented.Severalindustrialapplicationexamplesarepresented.ImportantareasrequiringfurtherR&Darediscussed.Finally,acomprehensivebibliographyon3-Dshapemeasurementisincluded,althoughitisnotintendedtobeexhaustive.©2000SocietyofPhoto-OpticalInstrumentationEngineers.[S0091-3286（00）00101-X]
Subjectterms:
three-dimensionalshapemeasurement;coordinatemeasurement;opticalmethods;overview.
PaperreceivedJuly12,1999;revisedmanuscriptreceivedAug.23,1999;acceptedforpublicationAug.23.1999.
目 录
第一章介绍·····················································1
第二章光学三维测量技术·········································2
1.时间/光飞行法·············································2
2.激光扫描·················································2
3.云纹法（莫尔纹法）·········································2
4.激光散斑切片法···········································3
5.干涉法···················································5
6.照相测量法···············································5
7.激光跟踪系统·············································5
8.结构光法·················································6
第三章测量物体360度形貌的一般方法·····························7
第四章整体和局部坐标转换·······································8
第五章机构光源、图像传感器、相机模型和校准······················10
第六章绝对相位值测量和不连续歧义克服··························12
第七章图像数据修补和CAD日期比较·····························13
第八章传感器设计··············································14
1.生成及测试··············································14
2.综合方法················································14
3.传感器仿真系统··········································14
4.专家系统法··············································14
5.传感器规划实例··········································15
第九章论证实例················································16
1.面板回弹调查············································16
2.车辆形貌测量············································19
3.三维振动················································20
4.油漆缺陷················································21
第十章结论和未来的研究趋势····································24
1.实时计算················································24
2.直接的形貌测量从没有涂层的单项反射面····················24
3.阴影问题················································25
4.评估光学形貌测量系统的标准方法··························25
5.高的准确度和大型测量范围································26
6.传感器规划和测量系统的检定和最佳化······················26
致谢···························································27
参考文献·······················································28
第一章介绍
在工业中，为了加快产品制造和确保产品质量，就要正确测量其三维形貌。
各种三维形貌测量设备包括智能机器人、自动导引车辆障碍物检测、模具尺寸测量、冲压面板几何检查、应力/应变和振动的精确测量。
此外，在线自动检测与识别的问题可以转换为物体的三维形貌检测，例如：
主体板油漆缺陷和凹痕检查。
近年来，随着计算机技术的发展，在与数字成像设备，光电元器件，激光和其它光源的发展相结合，部分三维形貌测量技术已成功商品化。
对于一个小型的深度或形状，可以使用共聚焦显微镜或其他的3-D显微镜达到微米甚至纳米级的测量。
然而，关键是相对精度或者一部分深度测量。
这就提出了测量一个大型形貌的挑战。
例如，如何才能准确测深0.5米呢？
此外，对于一个大型的深度或形状的测量，需要更多的照相机通过不同的位置多次获得不同的形貌最终合成完整的形貌。
这就产生了如何合成这些形貌的高精度方式和执行局部/全局坐标转换的问题。
这又提出了一个新的问题，就是要如何克服镜头畸变和像差。
之后获得的三维形貌数据必须与电脑辅助工程（CAE）模型进行比较。
本文提供了各种光学测量三维形貌方法的概述，着重于大型测量和360度形貌测量的结构光测量系统，概述了各种细节问题，如绝对相位测量、结构光源、图像采集传感器、相机型号和校准，共同探讨局部/全局坐标的转换方法。
然后讨论点云修补技术和CAD数据的比较，进行若干应用程序的描述。
文章最后将提及今后研究的趋势，如实时计算、自动化和传感器配置优化、确立光学坐标测量系统（OCMSs）的评价标准等。
第二章光学三维测量技术
近来，各种光学技术已被开发用于一个位置的三维形貌测量。
有关一些技术的全面概述可以参考书目1。
1.时间/光飞行法
用于测量形貌的飞行时间法是基于对激光或其它光源脉冲飞行时间的直接测量。
测量时，脉冲对象被反射回接收传感器和一个参考脉冲通过光纤，由传感器接收。
两个脉冲之间的时间差转换为距离。
而飞行时间法的典型分辨率约为1mm。
由于二极管激光器和高分辨率电子能产生亚皮秒脉冲，亚毫米分辨率是可以实现的。
最新发表的时间相关单光子计数法在距离为1m内具有深入重复性小于30μm的分辨率。
另一个类似的技术称为light-in-flight的技术是利用短时间相干光或很短的光脉冲生成光学波阵面的运动图像。
结合数字重建和Littrow设置，可以达到6.5μm的深度分辨率。
2.激光扫描法
点激光三角法采用光学中著名的三角关系。
典型的测量范围为±5~±250mm，精度在1/10,000，测量频率在40kHz或以上。
电荷耦合器件（CCD）和位置敏感探测器（PSD）广泛用于数字化点激光图像。
对于一个PSD，测量精度依赖于PSD的图像精度。
光束反射和散射光点也会影响测量精度。
M.Idesawa发明了一些方法来提高PSD的精度，如高精度万花筒镜面隧道位置传感技术（KM-PSM）和混合型的位置灵敏探测器。
基于CCD传感器由于单像素分辨率，避免了束斑反射和散射光的影响，并提供更高的精度。
另一个影响测量精度的因素是校准被测物体表面特性的差异。
通常情况下应进行类似表面的校准，以确保测量精度。
最新开发的共焦技术可以容许表面颜色变化，透明度差，和校准不当等问题。
3.云纹法（莫尔纹法）
云纹法（又称莫尔纹法、叠栅干涉法）可以分为面内和影像（离面）云纹法两类。
云纹技术的关键是两面光栅（主光栅和参考光栅）生成等高条纹被CCD相机接收。
由于CCD相机并不需要接收光栅本身，从而实现更高的分辨率。
然而，如果参考光栅是由计算机生成的，如逻辑云纹法，相机必须接收主光栅。
云纹技术相对于机构光技术，高的分辨率意味着实施的复杂性和高功率光源的需要。
（1）克服环境扰动，
（2）提高图像采集速度，（3）利用相移的方法来分析条纹图案（快拍和多图像莫尔系统已被开发）。
使用多相机或图像分割法可以同时得到两个或两个以上不同的相移莫尔条纹。
参考书目20提供了一些特别强调对噪声和系统误差函数来运的高速莫尔轮廓法。
相移云纹法的典型测量范围从1mm到0.5m，具有1/10~1/100的分辨率。
一些新的应用程序和相关资料可以参考文献21–30。
4.激光散斑切片法
光波（频率）和距离（范围）的三维傅里叶变换关系可以用于测量一个物体的形貌。
三维成像激光雷达，也被称为散斑抽样，原理是利用检测平面的光场对应于物体的三维傅里叶变换的二维切片的原则。
改变激光的波长需要其他物体三维变换的二维切片。
使用一个CCD阵列测量不同激光波长的斑点图案，每一个帧数据加起来生成一个三维数组。
应用上述数组的三维傅里叶变换以获取一个物体的三维形貌。
当使用参考平面法时，上述方法类似于双波长或散斑干涉多波长。
测量范围可以从几微米到一米。
而测量精度取决于测量范围。
当前的激光技术，10mm的测量范围可以获得1-10μm的分辨率，并可以实现0.5μm的测量不确定度（商业系统列表的测量仪器HoloMapper见附表1）。
这种方法的优点是：
（1）高弹性的测量范围，
（2）可能不需要传统干涉中的相移。
这种技术的局限性在于：
对于较大规模的形貌测量，需要更多的时间，掌握不同波长的图像。
表1一些基于前沿技术的商业全视场形貌测量系统
系统
原理
accuracydependentonvolume
AtosSystemCaputure3D,CostaMesa,CA92626,1-714-546-7278
Structuredlight+photogrammetry360-degview/patching
About50μm（2σ）onarelativelylargevolume
Comet/OptoTrakSystem4000GrandRiverAvenue,Suite101,Novi,MI48375,mikeb@
Structuredlight+opticaltracking;360-degview/patching
About50μm（2σ）onarelativelylargevolume
Optigo/CogniTensSystemU.S.815-637-1926
Randomdotpattern+photogrammetry+trilineartensor;360-degview/patching
About20to100μm（2σ）onarelativelylargevolume
4DlSystemIA,149SidneyStreet,Cambridge,MA02139,617-354-3830
Structuredlight+realtimecomputing;oneview/nopatching
About10-3onamediumvolume
HoloMapperSystemERIMInternational,Inc.,1975GreenRoad,AnnArbor,MI48105,313-994-0287
Laserradar/multiplewavelength;oneview/nopatching
Uncertainty0.5μmonamediumvolume
5.干涉法
基于干涉法形貌测量的想法是，灵敏度矩阵的变化所形成的条纹与物体的几何形貌和测出的光学相位有关。
该矩阵包含三个变量：
波长、折射率、照明和观察方向，从这三种方式，两个或多个波长，折射率变化和照明方向上的变化/两个来源而得。
双波长方式的解决取决于等效波长（∧）和〜∧/200的相位分辨率。
例如，氩激光的两个输出方式（0.5145μm和0.4880μm）会产生一个波长为9.4746μm的等效波长，且具有0.047μm的分辨率。
另一种高精度测距技术是双差频移干涉。
最新研究表明它取得了100m以内0.1mm的显著分辨率。
干涉法具有没有三角测量技术遮光问题的单态优点。
结合相移分析，干涉法和外差技术可分别具有1/100和1/1000的条纹精度。
随着专用光学结构设计，条纹精度可达到1/10,000。
其它方式如错位散斑干涉法、衍射光栅法、数字波前扫描重建和波长扫描以及锥光全息技术也在开发之中。
错位散斑干涉法和锥光全息技术的常用路径和共线系统相对不受机械干扰。
6.照相测量法
典型的照相测量法采用立体技术测量三维形貌，尽管其它方法如离焦、遮光和缩放也可使用。
照相测量法主要用于特征型三维尺寸测量。
这种技术通常都有一些明亮的时标，如被测物体表面的反光画点。
在一般情况下，照相测量的三维重建是建立在光束法平差原理，其中中心透视几何模型和照相测量关系中的光束方向由最小二乘程序开发解析实施。
为提高照相测量的精度已做了大量广泛的研究，最新进展已实现1/100,000乃至1/1,000,000的高精度。
7.激光跟踪系统
激光跟踪仪利用干涉仪来测量距离，两个高精度角编码器以确定垂直和水平角度。
SMARRT310激光跟踪仪是由（美国）国家标准局开发，由美国自动精密工程公司（API）改进至1μm的分辨率和0.7arc的角分辨率。
激光跟踪仪是一种扫描系统，通常用于跟踪光学传感器或机器人的位置。
莱卡（Leica）公司的激光目标指示器（LTD-LaserTargetDesignator）系统可提供精度约为±50μm的绝对距离测量和在半径为35m的测量体积内允许百万分之五精度的角编码器。
8.结构光法
结构光法，也被分类为主动式三角测量，包括投射编码光技术和正弦条纹技术。
图像采集传感器记录物体的深度信息再编码成干涉条纹。
虽然与云纹技术有关，物体的形貌可以直接从记录着漫射物体的干涉条纹解码出来，而不需使用参考光栅产生莫尔条纹。
另外两个相关技术运用随机模式投影和三线张量。
如果使用液晶显示器（LCD）或数字微镜元件（DMD-DigitalMirrorDevice）和优化面型测量系统，测量精度可达1/20,000。
结构光法具有以下优点：
（1）易于实现，
（2）使用计算机控制LCD/DMD无需移动部件就可实现相移、条纹密度和方向的变化，（3）可实现快速全局测量。
因为这些优点，坐标测量行业和机械视觉行业已着手结构光法的商业化（见表1），具体应用可参考文献80–82。
然而，要使这种方法更为普遍地使用还需解决一些问题，包括三角测量技术普遍存在的着色问题。
360度多视图数据和投影光栅/点的离焦带来解决问题的希望。
以下章节将提及。
使用显微镜观测小的物体可实现1μm和0.1μm的横向和深度分辨率。
利用共聚焦显微镜测量形貌可参考文献88。
第三章测量物体360度形貌的一般方法
测量时先设置整体坐标系和局部坐标系。
一方面把结构光成像系统放置在适当的位置测量三维形貌，并在每个目标点计算出绝对相位值。
这些相位值和测量系统的几何光学模型，确定目标点的局部三维坐标。
测量360度形貌通常有三种方法：
物体旋转法、相机/成像系统传输技术和多相机固定成像法。
用于测量大型物体的相机传输技术，是通过不同方向重复测量以覆盖被测物体。
所有的局部三维坐标转换到整体坐标系，并用最小二乘拟合法拼凑在一起。
最后测得的物体三维坐标与可计算机中的CAD主数据通过各种方法比较，常用的有分化比较法和最小二乘拟合法。
第四章整体和局部坐标转换
当进行物体的360度三维测量时，光学传感器必须放置在测量物体周围的不同位置。
每个位置得到的点云需要从局部坐标输入到或转换成整体坐标（系），已使这些点云可被拼凑在一起生成最终的数据集。
为做到这一点，每个传感器坐标系中的位置和方向必须被明确知道或测量出来。
任何在测量和计算传感器位置和方向中的错误都将引起整体坐标的分布误差，并影响最终测量的整体精度。
整体和局部坐标系的关系可以由以下方法来确定：
（1）传感器的精确客观位置和方向（局部坐标系），
（2）利用光学跟踪连接到主动或被动目标的传感器的位置和方向，（3）精确固定在物方视场的时标照相测量法和混合方法（各种方法如图1所示）。
图1传感器规划图表展示了若干方法以确定整体坐标系和局部坐标系的关系
在第一种机械方法中，传感器附着在高精度的机械定位系统。
位置和方向传感器用于采集系统坐标和角度信息。
机械系统的优点是耐用和高精度。
然而，机械装置的精度，环境扰动的克服，和设备的维护的成本都是非常高的。
在第二种光学方法中，局部坐标系是通过使用光学跟踪系统的光学传感器框架，测量出参考目标的的整体定位再计算出来的。
这种方法具有便携和紧凑的优点。
然而，传感器的目标必须是看见的，这又限制了灵活性。
此外，地面振动的影响也是必须需要考虑的因素。
倘若使用一个高精度跟踪系统，如激光跟踪系统，成本也相对较高。
机械方法和光学方法都存在着角误差。
第三种照相测量法可提供高精度的局部坐标系和固定在物方视场的精确整体坐标标记测量定位。
这种方法的精度可高达1/1,000,000，最低也可达到1/100,000。
然而，这种方法的主要限制是其定位标记必须放置在被测物体的表面或周围。
这就增加了测量时间和自动化地复杂性。
第五章机构光源、图像传感器、相机模型和校准
光源对于一个三维形貌测量系统的整体精度很重要。
重要参数包括均匀性、重量、强度截面和散斑/点的大小。
朗奇光栅幻灯片的投影提供了明亮图像的高分辨率，目前已用于某些商业系统。
然而，需要应用相移方法和光栅频率来计算绝对距离。
这又导致只能缓慢地用相对大的空间储存不同的光栅。
在1991年到1993年之间，利用非相干光技术的液晶投影机（LCDs）已用于每一个像素都可被计算机寻址的图像生成系统。
这种投影方式的优点是快速的相移和可变光栅。
其缺点是LCDs需要强光源，带来冷却问题和重量的增加。
此外，与基于光投射的胶片幻灯片相比分辨率较低。
为了克服液晶显示器（LCD）的光亮度的问题，开发出了反射式LCD，等离子体显示器（GPD）和DMD。
另外，DMP镜子间的差异比LCD间的像素更小，使DMD的图像相对清晰。
使用LCD/DMD式条纹投影的形貌测量系统的详细错误分析和优化可参考文献106。
LCD、GPD和DMD拥有真色彩模式，可被用来同时采集三种图像或三相移图像，这使得相移技术不受环境干扰。
颜色优势也可用作绝对相位测定。
其它光源包括拥有Mach-Zhender结构的双接点激光干涉仪、纤维光学、双折射晶体、声光调制器（AOM）和拥有专设菱镜可生成波束角为0.149度99条线的Lasiris非高斯结构投光器。
图像采集是光学三维形貌测量的一个关键因素。
目前，图像是由电荷耦合器件（CCD）传感器或电荷注入器件（CID）传感器接收的。
有全帧传感器、帧转移传感器和行间转移式传感器。
这些传感器的性能指标包括速度、分辨率、动态范围和准确性。
CCD传感器在市场上可买到的DALSAIA-D9-5120、FordAerospace4k×4k、KodakModel16.8I（4k×4k）、LoralCCD481都可达到5k×5k像素，这只是其中几项。
通常，高分辨率传
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