三维视觉测量系统的相关知识

二维视觉测量采用单摄像机测量目标在特定平面中的位置，在二维视觉测量中，由于摄像机与测量平面之间的距离固定，这使得其应用受到很大的限制，三维视觉测量随之应运而生。

与二维图像信息相比，三维信息能够更全面、真实地反映客观物体，提供更大的信息量。近年来，各种技术应用于三维信息测量中，由此形成了各类三维测量系统。经过几十年发展，三维视觉测量系统已具有较成熟的理论和技术基础，生产实践也不断证明这类系统操作简便、适应性强、精度高。

从狭义上讲，三维视觉测量技术即通过计算机分析处理，让计算机不仅具有和人眼一样的视觉感受，而且能够获得人眼所不能直接获得的经过量化的物体参数。

获取空间三维物体的距离信息是三维成像、三维物体重建和计算机辅助设计中最基础的内容，有着广泛的实际应用价值。光学三维形貌测量具有非接触、高精度、高效率的特点，并且在科研、医学诊断、工程设计、刑事侦查现场痕迹分析、自动在线检测、质量控制、机器人及许多生产过程中得到越来越广泛的应用。为此，国际光学学会在1994年以信息光学的前沿为主题的年会上，首次将光学三维测量列为信息光学前沿的7个主要领域和方向之一。

三维形貌测量方法介绍：

三维形貌测量的方法从测量方式上可分为接触式和非接触式。

传统的接触式测量方法发展已有几十年历史，其机械结构及电子系统已经相当成熟。三坐标测量机和接触式粗糙度轮廓仪是接触式三维测量的典型代表，其原理是用采样头的探针接触模型表面，采集一个轮廓点的数据，然后横向移动一个间距，采集相邻的轮廓点数据，最后构筑整个表面的线框模型。接触式测量方法具有较高的准确性和可靠性，但也存在以下缺点：

（1）测量时测量头与被测物之间有接触压力，它不适合测量柔性物体，而且对测量头无法触及的表面没有很好的测量效果；另外不当的操作容易损伤被测物体的表面，特别是高精度表面，同时也会使测量头磨损。

（2）测量头本身的半径以及接触测量时被测物体受到测量头挤压发生局部形变会影响测量的精度。

（3）接触式测量是以逐点扫描的方式进行测量的，所以测量速度慢，尤其在测量较大物体时，非常耗时。

（4）由于测量机的机械结构复杂，对工作环境要求很高，必须防震、防灰、恒温等，使其应用范围收到一些限制。

尽管世界各国生产厂家都试图用各种高新技术来改变这一现状，但至今都未能从根本上解决测量机原理本身所造成的结构庞大和复杂的不足，难以满足当今高效率、高精度测量的需求。

非接触测量方法主要是指光学测量方法

随着光电子技术、微电子技术的发展，各种新型器件不断出现，如电荷耦合器件（CCD, Charge Coupled Device）、数字投影仪（DLP, Digital Light Processing）等。非接触式光学测量技术得到快速发展，并开始在一些领域中得到广泛应用。非接触式光学测量方法由于其高灵敏度、高速度、无损坏、获取数据多等优点而被公认为最有前途的三维面形测量方法。

光学三维视觉测量方法分类

光学三维视觉测量方法的种类主要分为：摄影测量法、飞行时间法、三角法、投影条纹法、成像面定位法、干涉测量法等。而获取宏观物体的三维信息的基本方法可以分成两大类：被动三维传感和主动三维传感。被动三维传感采用非结构光（自然光）照明方式，从一个或多个摄像系统获取的二维图像中确定的距离信息，形成三维面形数据。被动三维传感需要进行大量的相关匹配运算，当被测目标的结构信息过于简单或过于复杂，或者被测物体上各点的反射率没有明显差异时，这种相关匹配运算将变得十分复杂和困难。

主动三维传感启用结构光照明方式，这是由于物体三维表面对结构光场的空间或时间调制，观察到的变形广场包含了物体三维面形的信息，对变形广场进行解调，便可以获得三维面形数据。主动三维传感具有非接触、高自动化、高灵敏度、高精度等优点，因此，大多数以三维精细面形测量为目的的系统都采用主动三维传感方式。

三维传感方法分类

根据物体三维表面对结构照明光场调制方式的不同，人们又将主动三维传感方法分为时间调制与空间调制两类。其中更为常用的是空间调制方法，根据测量原理的不同，空间调制又可以分为两类：直接三角法和相位测量法。直接三角法 ，轮廓测量是以纯粹的三角测量原理为基础，通过出射点、投影点和成像点三者之间的几何成像关系确定物体各点高度。

直接三角法

直接三角法的优点是信号处理简单可靠，无需复杂的条纹分析就能唯一确定各个测量点的绝对高度信息，自动分辨物体凹凸，即使物体上的物理断点（台阶、裂缝）、阴影等使图样不连续的缺陷也不会影响测量；缺点是精度不高，不能实现全场测量。而近几年来兴起的相位测量法是采用面结构光照明的三角光路测量法，这类方法首先将规则的光栅条纹图像投影到被测物表面，从另一角度看，可以观察到由于受物体高度的影响而发生变形的条纹。这种变形可解释为相位和振幅均为被调制的空间载波信号。采集变形条纹并从被调制的结构光场中提取所需的相位信息，然后再根据高度与相位的映射关系计算出被测物体的三维面形信息。

相位测量法

相位测量法采用面结构光进行投影，不需要对物体扫描就可以得到物体面形的三维信息，具有全场测量、高速测量的特点。但是由于求解相位时用到了反三角函数运算，相位截断在三角函数的主值范围内，因此还需要进行相位展开才能得到被测物体真实的相位分布。