光学三维传感

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光学三维传感
一、光学三维传感
      光学三维传感，是指用光学手段获取物体表面三维空间信息的方法和技术，是信息光学中的一个重要的研究领域。基于结构光的三维传感技术具有大量程、非接触、速度快、系统柔性好、精度适中等优点，已经广泛应用于三维模型重建，物体表面轮廓三维测量以及工业环境中的尺寸和形貌参数的检测等领域。采用结构光照明的三维传感方法，包括相位测量轮廓术、傅里叶变换轮廓术等，近年来在研究领域受到极大的重视。
      光学三维传感在机器视觉、实物仿形、工业检测、生物医学、影视特技、虚拟现实等领域，具有重要意义和广阔应用前景。为此，国际光学学会 1994年以信息光学的前沿为主题的年会上，首次将光学三维传感列为信息光学前沿七个 主要领域和方向之一。
二、光学三维传感的分类
      获取三维面形信息的基本方法可以分为两大类：被动三维传感和主动三维传感。

图1 摄影测量法

      被动三维传感采用非结构照明方式，从一个或多个摄像系统获取的二维图像中确定距离信息，形成三维面形数据。如摄影测量法，从一个摄像系统获取的二维图像中确定距离信息时，人们必须依赖对于物体形态、光照条件等的先验知识。如果这些知识不完整，对距离的计算可能产生错误。从两个或多个摄像系统获取的不同视觉方向的二维图像中，通过相关或匹配等运算可以重建物体的三维面形。双摄像机的传感系统如图2所示，它与人眼双目立体视觉的原理相似。
      主动三维传感采用结构照明方式。由于三维面形对结构光场的空间或时间 调制，可以从携带有三维面形信息的观察光场中解调得到三维面形数据。由于这种方法具有较高的测量精度，因此大多数以三维面形测量为目的的三维传感系 统都采用主动三维传感方式。

图2飞行时间法

      根据三维面形对结构照明光场调制方式的不同，人们将主动三维传感方法 为时间调制和空间调制两大类。 一类方法称为飞行时间法(Time-of-flight, 称 TOF)，它基于三维面形对结构照明光束产生的时间调制。该方法的原理如图3所示。一个激光脉冲信号从发射器发出，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，检测光脉冲从发出到接收之间的时间延迟，就可以计算出距离 ，从而还原物体表面形态。

图3 结构光照明测量法原理

      另一类更常用的方法，是基于三维面形对结构照明光束产生的空间调制。 通常有一下几种：相位测量轮廓术，傅立叶变换轮廓术，莫尔轮廓术，调制度测量轮廓术
三、光学三维传感的步骤
      步骤一：搭建光路产生向物体投射的结构光；
      步骤二：CCD图像采集在另一位置拍摄被物体反射回来的变形图像；
      步骤三：对物体反射回来的变形图像进行分析，获得与摄像机像面上的点对应的投影平面上点的坐标；
      步骤四：根据几何关系计算出物体测量点坐标进行三维重构，获得物体三维图像；
      光学三维传感，简单说来就是通过分析物体对光信息的调制来获取物体三维信息的过程。

图4 光学三维传感示意图

四、光学三维传感——相位测量轮廓术(PMP)
      相位测量剖面术(Phase Measuring Profilometry，简称 PMP)是一种新的三维传感方法。这种方法采用正弦光栅投影和数字相移技术，能以较低廉的光学、电子和数字硬件设备为基础，以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据。 作为一种重要的三维传感手段，这种方法已在工业检测、实物仿型、医学诊断等领域获得广泛应用 。
设计思路：
      采用正弦光栅产生结构光，将投影到物体表面的正弦光栅依次移动一定的相位，由采集到的移相变形条纹图计算得到包含物体高度信息的相位。
      当一个正弦光栅图形被投影到三维漫反射物体表面时，从成像系统获取的变形光栅像可表示为:

      其中， 表示物体表面不均匀的反射率， 表示背景光线强度， 表示条纹光线强度， 是相位函数，表示了条纹的变形，并且与物体的三维面形 有关。
1.产生结构光照明的方法
1.1激光剪切干涉法
      产生干涉型结构照明光场的系统如图5所示。它是一个激光照明的剪 切偏振干涉计。激光发出的线偏振光束通过透镜 ，和针孔 组成的空间滤波 器后，被沃拉斯顿棱镜 剪切。相位调制器由 1/4波片 和可旋转的偏振器 构成。通过旋转偏振器 ，干涉图形的正弦强度分布被调制，偏振器旋转 对 应于 相位调制。用这种方法可以产生 步相位所需的精密相位移动。由于针孔位于透镜的前焦点上，所产生的正弦强度分布的条纹是一种远心照明方式， 在干涉场中具有线性相位分布。 改变沃拉斯顿棱镜与针孔的距离，可以很方便地调整条纹的周期，以适应不同三维测量要求 。

图5 激光剪切干涉法
      投影条纹通过沃拉斯棱镜来产生，投影条纹的周期可以通过轴向平移沃拉斯棱镜来实现；相位调制器由1/4波片和可旋转的偏振器构成。
1.2白光投影结构照明法
      白光投影的结构照明是由一个类似于幻灯机的投影器产生的。图6所示是一个采用这种结构照明的PMP工作系统。图中的投影单元由白光光源、聚光镜组、投影透镜、正弦光栅模板和相移器组成。相移器是一个由计算机控制，并由步进电机驱动的微位移工作台。正弦光栅模板置于工作台上，可沿与投影器光轴垂直的方向移动，通过投影在基准平面或被测物体表面产生相移条纹。由于这种投影器采用了发散照明方式，可以在很大范围内产生结构照明，很适宜测量较大的物体面形。

图6 白光投影结构照明法

2.相位计算
      当投影的正弦光栅被移动其周期的1/N 时，条纹图的相位被移动 ，产生一个新的强度函数 。使用三个或更多的对应不同相移值的条纹图，相位函数 就可以独立于式中的其他参数而单独提出。例如，在四步相位算法中，相位移动的增量是 ，所产生的四个干涉图可表示为




      从这四个方程中可以计算出相位函数：

      对于更普遍的N相位算法，可以从N个相移条纹图中计算出相位函数。算法如下 :

3.相位—高度映射关系计算
      仍然用 , 户表示展开后的相位分布，从相位到高度的计算取决于光学 系统的结构。光学系统的结构有多种形式，本节只论及两种：
3.1远心光路的PMP系统：
      在参考平面上看到的投影正弦光栅是等周期分布的，其周期为 ，参考平面上的相位 分布是坐标 的线性函数，即为


      探测器上一点 ，对应参考平面上 点的相位为

      该点测量的是三维表面 点的相位，该点相位等于参考平面 点的相位为

      于是有

      记该点物体高度 ，可得

发散照明的PMP系统：
      另一种采用发散照明的PMP系统如图 10.23 所示。这是一种更一般的情 况，适合于测量较大的物体面形。由于投影光线是发散的，在基准平面上的相位分布已不是线性分布，因此情况比前面介绍的更复杂，需要一种相位映射算法来处理从相位到高度的计算过程。
      参考平面上的相位分布 不在是坐标 的线性函数，根据系统构建平面坐标 与位相函数 的映射关系以查表的形式存于计算机。

      由相似三角形可以计算出物点的高度分布为

      在大多数实际应用中， ，上式可进一步简化为

      综上所述，在采用远心光路和发散照明两种情况下，都可以通过对相位的测 量而计算出被测物体的高度。只是前者的相位差与高度之间存在简单的线性关 系，而在后一种情况下相位差与高度差之间的映射关系是非线性的。

4.相位展开
      由下式可知：

      由上式计算出的相位分布 ，被截断在反三角函数的主值范围内，因而是不连续的。为了从相位函数计算被测物体的高度分布，必须将由于反三角运算引起的截断相位恢复成原有的相位分布，这一过程称为相位展开。
      相位展开方法可以分为空域和时域两大类。空域相位展开法是只利用一幅截断相位图来恢复连续相位分布的方法;而时域相位展开方法则借助于多幅不同灵敏度的相位图在时间轴上展开相位。
      空间相位展开的一般过程：
      比较相邻两个点的相位值，如果差值小于-π，则后一点的相位值应加上2π，如果差值大于π，则后一点的相位值应减去2π。

五、应用现状及发展趋势
1.阴影和盲区问题
      相移测量法的测量受被测物表面散射特性的限制，必须满足光线所及(光线能照到)和视线所及(能被观察到)两个条件，对于光线不可及或视线不可及的地方，形状测量则无法实现，出现阴影和盲区问题。目前人们提出一些解决方案，如采用类似于共焦的显微镜原理的散焦技术；TK DeWitt等人提出的衍射光栅技术；苏显渝等人提出基于调制度的测量方法。由于上述测量系统的投影方向和探测方向一致，对于解决阴影问题起到一定的作用。
2.图像的预处理
      在相移测量法中，借助于计算机的图像处理能力，一方面可以大大提高工作效率，避免繁琐、费时、费力地人工判读条纹图；另一方面，又可提高测量精度，避免人工判读的失误和主观因素的影响。实际工作中，由于各种各样的原因(如摄像机产生的畸变、移项器产生的相差等)都会在干涉条纹图中引入各种各样的噪声口，这对条纹的分析处理是十分不利的，甚至严重影响测量精度。因此，必须采取相应的预处理措施以减小噪声影响。
3.相位去包裹
      通过相移法求得的相位值都是折叠在-π～+π的主值区间，必须对相位进行去包裹(Phase un—wrapping)处理，正确地恢复出被折叠的2nπ才能求得真实的相位值。早期的相位去包裹是采用线性扫描的方法，它通过对空间上相邻点相位值的比较完成。由于测量过程中不可避免地存在各种干扰而使包裹相位图总存在相位误差点，当去包裹过程碰到这种误差点时，误差会沿去包裹方向扩散，在真实相位图上形成“拉线”现象。为此，人们提出了许多改进算法。总体上分为两类，全场和区域解相位。各种算法都有各自的缺点和缺陷，因而不是普遍适用于各种测量表面。
4.大视场高精度的三维轮廓测量
      现在大部分测量系统比较注重测量的精度，而并不太强调测量的范围。然而，现代工业越来越要求测量系统既有高精度又有大范围。最近报道MLehmann等人采用条纹投影的方式，能测量4 m宽的砖墙。
5.实时动态三维轮廓测量
      实时三维轮廓测量是指集三维坐标显示、三维测量、工业控制及在线质量检测等方面于一体的技术，其关键是对计算速度提出了很高的要求。近年来随着对三维物体测量精度、产品质量及降低成本等方面要求的不断提高，在工程设计、模具开发及其产品的制造等实时监控方面对光学实时三维轮廓测量的要求越来越迫切。

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