1．引言
客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节,被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。 三维测量方法总的包括两大类，接触式 以及非接触式。如图 1.1 所示.
图1。1 三维测量方法分类
陶然士论文接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。但是尽管如此，依然会有一些缺点［2]：
（1） 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。 （2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后,测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响.
(3） 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。
接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术,如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用,特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上.在测量过程中,三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上
的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度.但由于三坐标机测量系统成本较高,加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。
非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置.核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法等非光学的非接触式三维测量方法也都可以测量物体的内部及外部结构的表面信息，且不需要破坏被测物体，但是这种测量方法的精度不高。而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用,被公认是最有前途的三维轮廓测量方法[3]。由于光不能深入物体内部，所以光学三维测量只能测量物体表面轮廓，因此,本文中所言光学三维测量即指光学三维轮廓测量，此后不再单独解释。
光学三维测量技术总体而言可以分为主动式光学三维测量和被动式光学三维测量,根据具体的原理又可以分为双目立体视觉测量法、离焦测量法、飞行时间法、激光三角法、莫尔轮廓术和结构光编码法等.下面就刚刚提到的几种光学三维测量技术的原理进行逐一讲解.
2.测量原理
2.1被动式光学三维测量
2.1。1双目立体视觉测量法
双目成像采用视觉原理来获得同一场景的2幅不同图像.通过对物体上同一点在2幅图像上的2个像点的匹配和检测，可以得到该点的坐标信息。测量原理如图2.1。1所示。设摄像机基线长为B,视差定义为D= P1— P2，其中P1、P2为空间点W(X，Y，Z)在2像面上的投影点,则由几何关系可得Z=Bf/ D。计算出物点的深度坐标后,其它2个坐标可以通过简单的几何透视关系得出.双目视觉成像原理简单,但由于需要在两幅图像中寻对定点的匹配,实际计算过程较为复杂。
图2。1.1 双目立体视觉法三维测量原理图
臣功再欣2。1。2离焦测量法
离焦测量法根据标定出的离焦模型计算被测点相对于摄像机的距离.测量模型如图2。1。2所示。参考点A成像在像平面上的A’点,物体表面上的B点成像在B'点,则在像面上形成两个像点B1和B2,测出两点之间的距离则可以得到物体上点B的坐标。镜头前挡板上挖的两个小孔保证了探测器上最外围的两像点是由轴上物点形成的。离焦测量法避免了寻精确的聚焦位置,但却增加了标定过程的复杂性.另外，由于每次只能获取一个轴上点的三维坐标，所以离焦测量法需要通过二维扫描来完成物体轮廓面上各离散点的坐标测量，因此测量效率比较低。
图2.1。2 离焦测量法原理图
环境法学论文2。2主动式光学三维测量
2.2.1飞行时间法
飞行时间法(Time of Flight，简称TOF）简单而言就是通过激光或者其他光源脉冲发射时间，通过测量飞行时间达到测量的目的，测量系统模型如图2.2。1所示.该测量方法具体如下：首先利用系统发射的激光或其他光源脉冲照射被测物体，通过反射原理到达系统接收器接收,就可以计算出激光或者其他光源脉冲的运行时间及距离。通过对被测量物体外部形态逐步扫描在通过数据处理得到物体的三维原始外貌.该测量方法运用激光或者其他光源脉冲飞行时间进行及接收器的带宽、灵敏度等进行测量,并且时间间隔的误差在一个很小的范围之内。因此运用飞行时间法的测量系统目前误差已经达到微米级［3]。
为了进一步使该系统的测量精度提高，目前比较常用的方法是提高测量系统工作时的频率，同时可以通过相位调制的方法。当激光束幅度被正弦波调制时，测量系统与被测物体之间的距离就可以由发射光束和接收光束之间的相位差得到.相位调制测量方法与脉冲调制
方法相比较要复杂许多，然而减小了带宽,而且通过正弦波相位调制能够获得比较大的测量视角。基于飞行时间法的测量系统装置复杂,并要求配备带宽大、灵敏性高以和热稳定性好的电子设备，因而造价偏高，这些因素制约了其实际应用。
广州登革热图2.2。1 飞行时间法原理图
2。2.2激光三角法
近年来随着激光技术的发展,激光三角形法逐渐得到广泛应用.它所采用的光源主要有点结构、线结构和双线结构。其基本原理是光学三角形原理，如图2。2.2所示。由图可以得到
刘义庆由此可以得到深度信息。这种方法具有原理简单、测量速度快和精度高等优点；缺点是对物体表面特性和反射率、复杂程度等有较大限制［4]。
图2。2.2 激光三角法
2。2。3莫尔轮廓术
莫尔轮廓术又可以称为莫尔等高线法，是一种非接触式三维测量方法，1970年由 H.Taksaki 首次提出。莫尔轮廓术得到莫尔条纹的方法如下：一个基准光栅和投影到三维物体表面上受到物体表面高度调制的变形光栅叠合来形成莫尔条纹，而该条纹描绘出了被测物体的等高线，然后根据莫尔条纹的分布规律就可以得出被测物体的表面形貌。从这个基本原理出发,出现了几类不同布局的莫尔轮廓装置,主要为影像莫尔法、投影莫尔法和扫描莫尔法以及移相莫尔法等。 (1)影像莫尔法
影像莫尔法(shadowmoirémethod)采用基准光栅,把它放在靠近被测物体表面处,用点光源或平行光源照射基准光栅，并在另一侧通过基准光栅观察物体，形成干涉条纹,如图2。2.3—1所示。鉴于此原理，影像莫尔法的测量范围必须小于所使用基准光栅的范围，而制作大面积、高精度的基准光栅十分困难，所以只适合测量较小尺寸的物体。另外，当被测物体表面梯度变化较大时，投影到表面的栅线易发生散射而变得模糊,限制了被测物体的可测景深,所以只适合测量表面变化较为缓慢的物体。
图2.2.3-1 影像莫尔法原理
(2)投影莫尔法
投影莫尔法利用光源将基准光栅经过聚光透镜投影到被测物体表面,经物体表面调制后的栅线与观察点处的参考栅相互干涉,从而形成莫尔条纹。它与影像莫尔法的主要区别在于在投影光和接收器附近各放置1个光栅,这样就可用较小的高密度栅板代替较大尺寸的基准栅板来检测较大的物体，扩大了检测物体的范围。一般,这种方法的检测精度和条纹分辨率没有影像莫尔法高.
上述两种方法是通过基准栅和试件栅之间的干涉形成莫尔条纹，所得的条纹图是等高线，通过分配条纹级次和确定条纹中心来解调等高线上的高度信息,对所得条纹的处理分析包括条纹中心线的跟踪、条纹级数的确定和表面凸凹性的判别等，这就限制了应用过程的自动化。同时,此种方法不适合测量表面梯度变化较大的物体。为了弥补此方面的缺点，可通过移动条纹或采用复合栅代替单一频率的栅线。
图2。2。3—2 扫描莫尔法原理图
（3）扫描莫尔法
在阴影莫尔法和投影莫尔法中,如要判断得出被测物体表面的凹凸情况，只能从莫尔等高线上出发，因此就很难在计量中进行确定.为了使莫尔法能够满足三维面形的自动测量，在投影莫尔法中可以使一块基准光栅（投影系统中的光栅G1 或成像系统的光栅 G2）沿垂直于栅线方向做微小地移动，然后对于目标物体表面的凹凸情况可以采用莫尔条纹同时移动的方向来确定。如果类似于投影莫尔法测量，但是在成像系统中不用第二块基准光栅去观察，而是像电视扫描那样通过电子扫描的方法得到观察的基准光栅，这种方法就称为扫描莫尔法，它的基本原理如图 2。2。3-2所示。实际中替代第二块基准光栅的扫描线可以利用计算机图像处理系统去加入，这就意味着只要通过图像系统(包括摄像输入）获取一幅变形的光栅像，因此要想得到莫尔条纹，只要采用计算机得到光栅的方法就可以得到.通过计算机产生的第二块基准光栅的周期和光栅的移动都容易改变，这种扫描莫尔法的图像系统能够实现三维面形的自动测量。
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