祝小超 賈龍 邸太龍

（中國(guó)第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：三維 光學(xué)測(cè)量 激光 三角測(cè)距

1 前言

隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，信息化、數(shù)字化成為企業(yè)發(fā)展必然趨勢(shì)，而在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域，產(chǎn)品應(yīng)用三維信息化模型的優(yōu)勢(shì)日漸突出。隨著近年來(lái)光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，用非接觸的方式對(duì)物體輪廓進(jìn)行快速測(cè)量已成為新常態(tài)。這種非接觸式測(cè)量不會(huì)造成被測(cè)物體表面損傷或變形，并且避免了三坐標(biāo)測(cè)量中測(cè)頭位移傳感所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體表面輪廓和特征進(jìn)行快速和精準(zhǔn)掃描。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)掃描得到的點(diǎn)云進(jìn)行三維重建，可構(gòu)建出被測(cè)物體的三維模型，這是一般測(cè)量手段無(wú)法做到的[1-2]。

但是，三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)仍然存在諸多限制，比如很難對(duì)高反光表面和透明、半透明物體進(jìn)行掃描，掃描時(shí)需噴粉或粘貼具黏性、可反射的貼片等。

2 三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)概述

2.1 三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展歷程

三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)興起于上世紀(jì)七十年代，主要分為三維激光掃描系統(tǒng)和照相式三維掃描系統(tǒng)[3]。

激光以其單色性、亮度高、發(fā)散小等優(yōu)點(diǎn)成為早期三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的首選光源。第一代三維激光掃描系統(tǒng)采用激光光點(diǎn)進(jìn)行掃描，但單一激光光點(diǎn)測(cè)量效率低，于是以一條線性激光條紋取代單一激光光點(diǎn)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描，發(fā)展出第二代三維激光掃描系統(tǒng)，大幅提高了測(cè)量速度。隨著光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，目前采用7線、14線甚至更多激光線的產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，掃描速度和精度也大幅提高。

照相式三維掃描系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)光為光源，第一代產(chǎn)品光源為白光，但白光的抗環(huán)境干擾能力弱，對(duì)環(huán)境光線要求高，掃描操作標(biāo)定比較麻煩，掃描速度較慢。2010年以色列Cognitens公司率先發(fā)布新一代照相式三維掃描儀-藍(lán)光三維掃描儀。藍(lán)光的波長(zhǎng)更短，并且光源為L(zhǎng)ED冷光源，光源能耗更低，抗干擾能力強(qiáng)，以及對(duì)環(huán)境要求低、不需噴粉等特點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

2.2 測(cè)量技術(shù)原理

測(cè)量原理主要有脈沖測(cè)距、相位差測(cè)距和三角測(cè)距法。

2.2.1 脈沖測(cè)距原理

測(cè)量系統(tǒng)由激光發(fā)射系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)組成。工作時(shí)，激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一束激光，光束經(jīng)被測(cè)量物體漫反射后被探測(cè)系統(tǒng)捕獲，測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算出光束往返一次的時(shí)間（圖1）。

圖1 脈沖測(cè)距原理

如果光在空氣中傳播速度為c，在測(cè)量系統(tǒng)和被測(cè)量物體之間往返一次所需時(shí)間為t，則被測(cè)量物體與測(cè)量系統(tǒng)之間距離D可表示為：

脈沖激光的單色性好、發(fā)散小、亮度高、功率大、測(cè)量精度為米級(jí)，適用于中遠(yuǎn)距離測(cè)量，如地形地貌測(cè)量、地質(zhì)勘探、天體之間距離測(cè)量等技術(shù)方面。

2.2.2 相位差測(cè)距原理

相位差測(cè)距原理是對(duì)發(fā)射光波的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，然后激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一束激光，光束經(jīng)被測(cè)量物體漫反射后被探測(cè)系統(tǒng)捕獲，測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量出發(fā)射和捕獲激光的相位差，間接測(cè)量出時(shí)間（圖2）。這種方式較直接測(cè)量往返時(shí)間的處理難度降低了許多。

如果光在空氣中傳播速度為c，調(diào)制信號(hào)的周期時(shí)間為T，發(fā)射與接收波形的相位差為Φ，則被測(cè)量物體與測(cè)量系統(tǒng)之間的距離D可表示為：

圖2 相位差測(cè)距原理

相位式激光測(cè)距可以達(dá)到毫米級(jí)別的測(cè)量精度，但受周圍環(huán)境影響較大，并且大測(cè)程和高精度不能同時(shí)滿足。

2.2.3 三角測(cè)距原理

光源以一定角度β射出一束激光，激光被目標(biāo)物體反射，然后被攝像頭捕捉到（圖3）。

圖3 三角測(cè)距原理

已知攝像頭焦距是f，由相似三角形原理可得到測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)物體之間的距離D為：

三角測(cè)距具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)，廣泛應(yīng)用于物體表面特征與輪廓、孔位、高度、寬度等項(xiàng)目的測(cè)量中，如汽車行業(yè)中造型設(shè)計(jì)、逆向工程、零部件測(cè)量和土地測(cè)量、掃地機(jī)器人等。

2.3 三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)分類

根據(jù)傳感方法不同可分為三維激光掃描系統(tǒng)和照相式三維掃描系統(tǒng)[3]，照相式三維掃描系統(tǒng)根據(jù)光源不同可分為白光三維掃描系統(tǒng)和藍(lán)光三維掃描系統(tǒng)。

2.3.1 三維激光掃描系統(tǒng)

三維激光掃描技術(shù)是上世紀(jì)九十年代中期開(kāi)始出現(xiàn)的一項(xiàng)技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)由點(diǎn)掃描發(fā)展為多線掃描技術(shù)。

三維激光掃描系統(tǒng)有固定式和手持式，如果將測(cè)量頭搭載在關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)設(shè)備上使用，則為便攜式。三維激光掃描系統(tǒng)由激光發(fā)射系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，測(cè)量過(guò)程中由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出一束激光，光束投影到被測(cè)物體表面并在被測(cè)物體表面產(chǎn)生形狀和移動(dòng)變化時(shí)，探測(cè)系統(tǒng)就可以捕獲得到被測(cè)物體的相關(guān)特征元素并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維重構(gòu)[5]。

三維激光掃描系統(tǒng)掃描速度快，測(cè)量精度高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

2.3.2 照相式三維掃描系統(tǒng)

照相式掃描系統(tǒng)由光柵投影設(shè)備和2～3個(gè)高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)組成，其采用結(jié)構(gòu)光將光柵條紋投射到被測(cè)量物體表面，并進(jìn)行形狀變化和位置移動(dòng)，由2～3個(gè)高清數(shù)碼相機(jī)對(duì)光柵進(jìn)行快速拍照，捕捉到各種光柵條紋[4]。對(duì)照片進(jìn)行數(shù)字化處理，利用光柵測(cè)量原理和拍照定位技術(shù)，可在極短時(shí)間內(nèi)采集到被測(cè)量物體表面的點(diǎn)云（圖4）。

圖4 照相式三維掃描系統(tǒng)

測(cè)量時(shí)被測(cè)物體可以進(jìn)行空間移動(dòng)和旋轉(zhuǎn),可實(shí)現(xiàn)多個(gè)視角360度測(cè)量。并且掃描范圍大，可輕松完成大型工件的測(cè)量。

照相式三維掃描儀掃描速度極快，數(shù)秒內(nèi)可得到100多萬(wàn)點(diǎn)，測(cè)量精度可達(dá)0.03 mm，掃描深度可達(dá)300～500 mm。

2.4 數(shù)據(jù)集成與處理

三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)能夠提供被測(cè)物體表面輪廓和特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建被測(cè)物體三維模型，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的集成與處理。利用云技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)（圖5），可形成測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析（SPC）、零件的合格率（PIST）和重復(fù)性（R﹠R）批量驗(yàn)證、3D裝配尺寸分析等功能。

3 在汽車行業(yè)的應(yīng)用

汽車行業(yè)的三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)主要利用三角測(cè)距原理，可得到高品質(zhì)的物體表面輪廓點(diǎn)云，可用于汽車產(chǎn)品造型優(yōu)化、逆向工程、數(shù)據(jù)集成與處理、快速成型、零部件和整車產(chǎn)品測(cè)量等方面。

圖5 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)可在以下方面應(yīng)用：

（1）掃描油泥模型，建立表面三維數(shù)據(jù)，為后續(xù)造型優(yōu)化提供依據(jù)；

（2）掃描競(jìng)品，與企業(yè)自身的產(chǎn)品進(jìn)行比較，建立數(shù)據(jù)庫(kù)；

（3）快速掃描零件，檢驗(yàn)是否合格，建立測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)；

（4）進(jìn)行產(chǎn)品有限元分析；

（5）掃描數(shù)據(jù)的分析與處理。

4 發(fā)展趨勢(shì)

三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)的日益成熟和發(fā)展，為汽車行業(yè)提供了高效的三維數(shù)字解決方案。而隨著汽車精細(xì)化要求越來(lái)越高，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)y(cè)量系統(tǒng)的特殊需求也在提升，所以三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行個(gè)性化定制。

產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的便捷性、靈活性要求不斷提高，三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)正向小型化、移動(dòng)式和無(wú)線傳輸方向發(fā)展。