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浅谈光学三维测量技术
单位: 长春中国光学科学技术馆 姓名: 刘航 李渌洁 王英鸿 邮编: 130117

摘要: 光学三维测量属于非接触式光学面形测量方法, 能快速正确测量出物体表面形状, 被广泛地应用在机械、 电影等领域。本文概述了光学三维测量技术分类, 介绍了多个常见光学测量技术, 及其在各个领域应用。
关键词: 光学三维测量 三维激光扫描 面结构光

光学三维测量是指利用光学方法获取三维物体表面各点空间坐标方法和技术, 是在现代光学基础上, 将光电子学和计算机图像及信号处理等多学科融合在一起一个优异测量技术。
光学三维测量分类:

图1 光学三维测量技术分类图
光学三维测量技术按测量原理能够分为摄影测量方法、 结构光技术和光学干涉方法。摄影测量法是基于多视几何技术被动测量方法, 通常是在自然光照明情况下, 从两个或者多个视角获取物体图像, 然后依据获取多幅图像同态匹配点还原物体三维形貌。结构光技术关键是利用含有特定几何特征结构光光源照明物体, 利用取得经过物面调制变形结构光位置或图像来实现物体三维形貌测量。光学干涉法是利用干涉原理进行测量, 常见高精度、 高分辨率测量方法之一。以下介绍多个常见光学三维测量方法。

图2 激光测距仪工作原理图
三维激光扫描技术依据光学三角形测量原理, 以激光作为光源, 光电探测器接收反射光, 经过对采集到数据进行计算得到物体深度信息。三维激光扫描仪发射器首先发射一个激光脉冲信号, 信号经物体表面漫反射以后, 沿与原来几乎相同路径反射回接收器。由脉冲激光发射到反射被接收时间tL可计算出扫描点到扫描仪距离值S。扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲水平方向角α和垂直方向角度β。依据上述数据计算出扫描点三维空间坐标（XP、 YP、 ZP）[1]。

图3 双目视觉原理图
双目视觉技术经过视差原理设计被动测量三维数据技术。双目立体视觉三维测量方法基础原理是, 从两个(或者多个)视点去观察同一物体, 方便取得在不一样视角下被测物体二维图像, 然后依据三角测量原理得出图像像素之间坐标偏差（视差）, 在以上基础上取得测量物体三维信息, 这一过程与人类视觉立体感知过程是类似[2]。

图4 面结构光原理图
面结构光系统由投影仪和数码相机组成。投影仪将光栅条纹投射到被测物体表面。受物体高度调制, 光栅条纹发生形变, 这种变形条纹可解释为相位和振幅均被调制空间载波信号。数码相机采集到变形条纹图像而且对其进行解调能够得到包含高度信息相位改变, 再依据三角法原理计算出高度, 最终形成物体三维立体图像[3]。
光学三维测量应用
光学式三维测量技术含有非接触、 高效率、 高精度以及全场景测量等优势, 其经典应用关键有以下多个方面
1、 逆向工程
逆向工程是利用三维测量设备快速、 正确地取得实物表面三维坐标点, 并依据这些坐标点经过三维几何建模工具重建实物模型过程。逆向工程不是简单地再现, 而是要深入改善、 完善产品原型, 是现代企业产品快速开发与创新关键路径。
2、 虚拟现实
利用光学三维测量方法对实物进行快速测量, 经过专业化软件处理, 建立物体三维模型, 并由这些模型生成三维时序, 实现动画, 这就满足了影像特技、 电脑游戏、 互联网虚拟观摩等需要。
3、 生物、 医学工程
利用光学三维测量技术取得数据可用于人体工程学和医学研究, 经典如依据所得到三维数据, 结合人体学知识对座椅、 防护头盔、 服装等进行设计。光学三维测量技术还能够对伤口大小和深度进行检测、 分析人脸颜面对称性（用于整容）、 量化牙齿矫形手术等。

[1]潘建刚. 基于激光扫描数据三维重建关键技术研究[D]. 北京: 首都师范大学,
[2]隋婧, 金伟其. 双目立体视觉技术实现及其进展[J]. 电子技术应用, , 30(10): 4-7
[ 2] 宋万忠,苏显渝. 基于结构光投影三维物体识别[J]. 光电子·激光, 1999, 10( 1) : 59- 62

介绍: 刘航（1986-）, 男, 吉林长春人, 职称: 研究实习员, 学历: 硕士, 关键研究方向: 光学。

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