劉航 李淥潔 王英鴻

摘 要：光學三維測量屬于非接觸式光學面形測量方法，能快速準確測量出物體的表面形狀，被廣泛地應用在機械、電影等領域。文章概述了光學三維測量技術的分類，介紹了幾種常見的光學測量技術及其在各個領域的應用。

關鍵詞：光學三維測量；三維激光掃描；面結(jié)構光

光學三維測量是指運用光學方法獲取物體表面的三維立體坐標的技術。光學三維測量利用現(xiàn)代光學技術成就，結(jié)合光電子學、計算機圖像處理等學科成就發(fā)展起來的一種先進測量技術。

1 光學三維測量的分類

圖1 光學三維測量技術分類圖

光學三維測量技術按測量原理可以分為攝影測量方法、結(jié)構光技術和光學干涉方法。攝影測量法是基于多視角的非主動式測量方法。在普通照明（陽光、日光燈）情況下，由攝像頭獲取多視角物體圖像，利用計算機查找多幅圖像的同態(tài)標記點，進而獲得物體的表面形貌。結(jié)構光技術通過不同寬度且明暗相間的結(jié)構光照射被測物體表面，獲取到的經(jīng)物體調(diào)制的圖像，再經(jīng)過計算獲取物體的立體形貌信息。光學干涉法是利用干涉原理進行測量，具有高精度、高分辨率等優(yōu)點。以下介紹幾種常見的光學三維測量方法。

圖2 三維激光掃描工作原理圖

三維激光掃描技術根據(jù)光學三角形測量原理，以激光作為光源，光電探測器接收反射光，通過對采集到數(shù)據(jù)進行計算得到物體的深度信息。三維激光掃描儀包括發(fā)射器和接收器。發(fā)射器射出一束脈沖激光，激光經(jīng)過物體表面漫反射，沿相同路線射入接收器。由脈沖激光發(fā)射到反射被接收的時間tL可計算出掃描點到掃描儀的距離值S。掃描儀內(nèi)精密測量系統(tǒng)獲取每個激光脈沖的水平方向角α和垂直方向角度β。依據(jù)上述數(shù)據(jù)計算出掃描點的三維空間坐標（XP、YP、ZP）[1]。

雙目視覺技術屬于攝影測量方法，是通過視差原理被動測量三維數(shù)據(jù)的技術。雙目視覺技術測量物體三維形貌的原理是，從兩個或以上的視角去觀察一個物體，獲得多張不同視角下物體的二維圖片，根據(jù)三角測量原理得出同一個像素點的坐標偏差，以此獲得測量物體的三維形態(tài)。此過程與人眼的立體視覺原理相類似[2]。

面結(jié)構光系統(tǒng)由投影儀和數(shù)碼相機組成。投影儀將明暗相間光柵條紋投影到待測物體上。物體高度的變化引起光柵條紋的形變。條紋形變可認為是載波信號相位和振幅被空間物體調(diào)制。數(shù)碼相機拍攝調(diào)制后的圖像，對其進行解調(diào)制，獲得物體的整個高度信息值，依照三角法原理，形成物體的三維立體影像[3]。

2 光學三維測量的應用

光學三維測量技術具有諸多優(yōu)勢，如非接觸式測量、高精確度、快速獲得結(jié)果等。光學三維測量技術主要應用在虛擬現(xiàn)實、逆向工程、醫(yī)學工程等領域。

2.1 虛擬現(xiàn)實

利用光學三維測量技術對實物外形進行三維形貌掃描，經(jīng)過三維建模軟件處理，在計算機內(nèi)生成人物、場景的三維模型。由三維模型生成人物動作，實現(xiàn)動畫制作，滿足電腦游戲、CG特效等場合需要。

2.2 逆向工程

逆向工程是利用光學三維測量設備獲取物體表面上所有點的三維立體坐標，根據(jù)坐標點信息利用三維設計軟件進行實物模型重建的過程。逆向工程獲得的模型被用于改進、完善原有的產(chǎn)品，被廣泛地應用到磨具開發(fā)、汽車制造等領域，是現(xiàn)代產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術手段。

2.3 生物、醫(yī)學工程

運用光學三維測量技術獲得人體骨骼、肌肉的數(shù)據(jù)用于人體工程學研究。例如根據(jù)人體相關三維數(shù)據(jù)，制作出符合人體生理結(jié)構的防護頭盔、防護服等。三維光學測量技術還可以測量傷口的尺寸、分析人的面部結(jié)構、設計牙齒矯形手術等。

參考文獻

[1]潘建剛.基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建關鍵技術研究[D].北京：首都師范大學，2005.

[2]隋婧，金偉其.雙目立體視覺技術的實現(xiàn)及其進展[J].電子技術應用，2004，30（10）：4-7.

[3]宋萬忠，蘇顯渝.基于結(jié)構光投影的三維物體識別[J].光電子·激光，1999，10（1）：59-62.

作者簡介：劉航（1986-），男，吉林長春人，職稱：研究實習員，學歷：碩士，主要研究方向：光學。