反向摄影大尺度空间结构光三维测量
3D打印技术中的模型扫描方法介绍
3D打印技术中的模型扫描方法介绍在3D打印技术中，模型扫描是创建3D打印模型的关键步骤之一。
模型扫描是通过使用特定的设备来捕捉现实世界中的物体的形状和细节，并将其转换为3D模型的过程。
本文将介绍几种常见的3D打印技术中的模型扫描方法，包括结构光扫描、激光扫描和摄影测量。
结构光扫描是一种常见而广泛应用的3D扫描技术。
它基于利用结构光投射在物体表面上，并通过相机捕捉结构光的形状和位置来重建物体的几何形状。
结构光扫描设备包括一个结构光投影器和一个相机，结构光投影器投射一种特殊的光纹或图案，而相机则用来捕捉被投射光纹变形后的图像。
通过分析这些图像，计算机软件可以准确地重建物体的三维几何模型。
结构光扫描技术适用于捕捉精细的物体细节，并能够快速生成高分辨率的3D模型。
激光扫描是另一种常用的3D扫描方法，它使用激光器发射激光束并通过相机来记录激光束与物体表面的相互作用。
激光扫描设备通常包括一个激光发射器、一个旋转平台和一个相机。
激光束在扫描过程中被转动的平台反射，相机记录下被反射的激光束的位置和形状。
这些数据被计算机软件分析和处理，以生成三维物体模型。
激光扫描技术适用于各种尺寸和形状的物体，并且能够提供高度准确的测量结果。
摄影测量是一种基于摄影技术的3D扫描方法。
它通过在不同角度拍摄物体的照片，并使用计算机软件将这些照片结合起来，生成物体的三维模型。
摄影测量有两种主要类型：立体摄影和结构光投影。
立体摄影使用多个相机来拍摄物体的照片，这些相机通常被放置在不同的位置和角度，以捕捉物体的不同视角。
结构光投影是在摄影中使用投影器发射结构光，类似于结构光扫描的方法。
摄影测量技术适用于较大的物体或室外环境，并且可以提供高质量的3D模型。
上述提到的方法只是根据常用的3D打印技术中的模型扫描方法进行简要介绍，实际上还有其他一些扫描方法，如光栅扫描、超声波扫描和短程雷达扫描等。
每种方法都有其独特的优缺点和适用范围，选择合适的扫描方法取决于物体的大小、形状、精度要求以及预算等因素。
三维视觉检测
II
哈尔滨工业大学
目录
摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 第 1 章 绪论..................................................................................................... - 1 1.1 课题背景............................................................................................. - 1 1.2 结构光三维测量技术......................................................................... - 1 1.3 国内外发展现状................................................................................. - 1 第 2 章 光学三维测量技术............................................................................. - 3 第 3 章 三维测量技术中相位移及相位展开................................................. - 4 3.1 相位移原理......................................................................................... - 4 3.2 相位展开算法..................................................................................... - 5 3.2.1 空间相位展开算法.................................................................. - 5 3.2.1 时间相位展开算法.................................................................. - 6 第 4 章 三维重建过程..................................................................................... - 7 4.1 三步相移算法..................................................................................... - 7 4.2“2+1”步相移算法 ................................................................................ - 7 4.3 时间相位去包裹法............................................................................. - 8 4.4 杂点去除算法..................................................................................... - 9 4.5 相位值向空间三维坐标转换算法..................................................... - 9 4.6 基于 Look-up Table 的快速算法 ..................................................... - 10 第 5 章 总结与展望....................................................................................... - 10 -
基于工业摄影和机器视觉的三维形貌与变形测量关键技术研究
基于工业摄影和机器视觉的三维形貌与变形测量关键技术研究一、本文概述随着工业技术的不断发展和进步，三维形貌与变形测量在工业生产、质量控制、产品设计等领域的应用越来越广泛。
尤其在航空航天、汽车制造、精密机械等高精度制造行业，对三维形貌与变形测量的精度和效率要求日益提高。
因此，研究基于工业摄影和机器视觉的三维形貌与变形测量关键技术，对于提高我国制造业的整体水平、促进产业升级具有重要意义。
本文旨在探讨基于工业摄影和机器视觉的三维形貌与变形测量的关键技术，包括摄影测量原理、机器视觉算法、数据处理方法等方面。
通过对这些技术的研究，我们可以实现对物体表面形貌的高精度测量，以及在动态过程中的变形监测。
本文还将对现有的三维形貌与变形测量方法进行对比分析，探讨其优缺点和适用范围，为实际应用提供理论支持和指导。
通过本文的研究，我们希望能够为相关领域的研究人员和工程师提供有价值的参考，推动三维形貌与变形测量技术的发展，为我国制造业的转型升级提供技术支持。
二、工业摄影与机器视觉技术基础工业摄影和机器视觉技术是现代工业生产中不可或缺的关键技术。
它们基于光学原理，通过捕捉和处理图像信息，实现对物体三维形貌和变形的精确测量。
这些技术在质量控制、产品检测、工艺改进等多个领域发挥着重要作用。
工业摄影技术主要利用高精度的摄影设备，如工业相机和镜头，对目标物体进行拍摄。
通过调整相机的参数和拍摄条件，可以获得高质量的图像数据。
同时，结合专业的图像处理软件，可以对图像进行预处理、特征提取和三维重建等操作，从而得到物体的三维形貌信息。
机器视觉技术则是一种基于计算机视觉原理的自动化检测技术。
它利用图像采集设备获取物体的图像信息，通过图像处理和分析算法，实现对物体形状、尺寸、位置等特征的自动识别和测量。
机器视觉系统通常由图像采集模块、图像处理模块和控制执行模块组成，可以实现高效、准确的自动化检测。
在工业摄影和机器视觉技术中，三维形貌与变形测量是关键的研究内容。
线结构光三维自动扫描系统关键技术的研究
线结构光三维自动扫描系统关键技术的研究1. 本文概述随着现代工业的快速发展，三维测量技术在制造业、文化遗产保护、生物医学等领域扮演着越来越重要的角色。
线结构光作为一种高精度、高效率的三维测量方法，受到了广泛关注。
本文旨在深入研究线结构光三维自动扫描系统的关键技术，以推动该技术的进步和应用。
本文将介绍线结构光三维扫描系统的基本原理和工作流程，阐述其在三维测量领域的优势和应用前景。
接着，重点分析系统的关键技术，包括线光源的设计、图像采集、三维重建算法、系统标定以及误差补偿等方面。
在此基础上，本文还将探讨当前技术存在的问题和挑战，提出相应的解决方案和改进措施。
为了验证所提出技术的有效性，本文将设计一系列实验，通过对比实验结果，展示改进后系统的性能提升。
本文将对线结构光三维自动扫描系统的未来发展趋势进行展望，指出潜在的研究方向和应用领域。
通过本文的研究，期望为线结构光三维扫描技术的发展提供理论依据和实践指导，促进相关领域的技术进步和产业升级。
2. 线结构光三维扫描原理线结构光三维自动扫描系统的基本原理是利用具有周期性亮度调制的光源和具有精密定位和运动控制系统的线阵CCD相机。
在扫描物体时，系统会发射一系列的结构光纹。
随着扫描仪相对于物体的位置移动，线阵CCD相机接收到由扫描物体表面反射回来的结构光信息。
通过特殊的算法将这些信息处理和分析，从而将三维空间内的信息还原到计算机中。
线结构光三维自动扫描系统可以实现大范围、高精度的三维扫描，特别适用于曲面复杂的物体。
在工业设计、医学、文物保护等领域，这种技术都扮演着重要的角色。
例如，在模具设计、雕塑制作和文物保护中，线结构光三维自动扫描系统可以用于获取物体的精确三维模型，以便进行进一步的分析、修复或复制工作。
3. 线结构光三维扫描系统设计线结构光三维扫描系统的设计基于光学测量原理，通过投射线结构光到被测物体表面，并利用相机捕捉因物体表面不规则而产生的光变形，进而计算出物体表面的三维信息。
摄影测量原理
摄影测量原理一、摄影测量的定义和概念摄影测量是一种利用摄影技术来进行测量和制图的方法，它是以空间几何原理为基础，通过对摄影图像进行分析和处理，得到地面上物体的空间位置、形状、大小等信息。
摄影测量广泛应用于地图制图、城市规划、土地利用、资源调查等领域。
二、摄影测量的基本原理1.光学原理摄影测量的基础是光学原理，即光线在不同介质中传播时会发生折射和反射。
在空气中传播的光线与在相机镜头内传播的光线之间存在一个固定比例关系，这个比例关系被称为像高比例尺。
2.投影几何原理投影几何是摄影测量中最重要的理论基础之一。
它研究了物体在三维空间中与二维平面之间的投影关系。
在实际应用中，我们通常采用透视投影模型来描述物体在相机成像平面上的投影关系。
3.相对定向原理相对定向是指将拍摄同一景物不同时刻或不同位置的照片，通过对它们进行比较和分析，确定它们之间的相对位置关系。
相对定向包括方位角和倾斜角两个方面，其中方位角是指照片上某一点与相机光轴之间的水平夹角，倾斜角是指照片上某一点与相机光轴之间的竖直夹角。
4.绝对定向原理绝对定向是指将摄影测量中测量到的物体空间坐标系与地球坐标系进行联系，从而确定物体在地球表面上的实际位置。
绝对定向通常采用大地坐标系来描述物体在地球表面上的位置。
三、摄影测量的基本流程1.摄影摄影是摄影测量中最基本的步骤。
在进行摄影时，应选择合适的相机、镜头和滤镜，并根据实际情况调整曝光时间、光圈和感光度等参数。
2.内定向内定向是指将相机成像平面与像平面之间建立起一种几何模型，并根据实际情况进行参数化。
内定向通常包括像高比例尺、主距、畸变等参数。
3.外定向外定向是指将相机的空间位置和方向与物体的空间位置进行联系。
外定向通常采用相对定向和绝对定向两种方法。
4.立体像对匹配立体像对匹配是指将拍摄同一景物不同时刻或不同位置的照片进行比较和分析，从而确定它们之间的空间位置关系。
立体像对匹配通常采用自动或半自动的方法进行。
结构光三维成像技术
结构光三维成像技术结构光三维成像技术是一种基于光捕捉和图像处理的技术，能够快速、准确地获取物体表面的三维信息。
这种技术的出现，打破了传统三维测量方法的局限，为各个领域带来了革命性的变革。
一、结构光三维成像技术的定义结构光三维成像技术是通过将特定结构的光投射到物体表面，再根据物体表面反射的光线，利用图像处理技术恢复出物体的三维形态。
它具有高精度、高速度和高效率的特点，被广泛应用于各种领域。
二、结构光三维成像技术的应用结构光三维成像技术的应用领域非常广泛，主要应用于工业生产、医学诊断、军事侦查等。
在工业生产领域，结构光三维成像技术被广泛应用于产品质量检测、逆向工程、机器视觉等领域。
例如，在产品质量检测中，利用结构光三维成像技术可以快速准确地检测产品的形状、尺寸和表面质量，提高生产效率和产品质量。
在逆向工程中，结构光三维成像技术可以帮助企业将实物样品转化为三维数字模型，加速产品开发速度。
在机器视觉领域，结构光三维成像技术是实现自主导航、物体识别、场景建模等的关键技术之一。
在医学诊断领域，结构光三维成像技术也发挥了重要作用。
例如，在口腔医学中，结构光三维成像技术可以用来获取牙齿的三维形态，帮助医生进行牙齿矫形和治疗计划的制定。
在临床医学中，结构光三维成像技术可以帮助医生快速准确地获取病人的三维形态信息，为手术方案的制定提供重要依据。
在军事侦查领域，结构光三维成像技术也有着广泛的应用。
例如，利用结构光三维成像技术可以对目标进行快速准确的定位和测量，提高打击精度和作战效果。
同时，结构光三维成像技术也可以用来进行地形测绘、物体识别等，为军事行动提供重要支持。
三、结构光三维成像技术的发展历程结构光三维成像技术的研究可以追溯到20世纪80年代，经历了以下几个阶段：1、20世纪80年代至90年代初，是该技术的探索和萌芽阶段。
这一时期的研究主要集中在如何获取和处理结构光投影和物体反射的光线，以实现物体的三维测量。
2、20世纪90年代中期，是该技术取得突破和进展的阶段。
三维数据测量技术
激光跟踪仪
该产品可以认为是激光跟踪技术和三维视觉技术的结合产品。
系统如右图所示，测笔上装有一个测量头、
若干个目标靶点（红外发光二极管）、一个猫眼，
它们之间的相互位置关系已知，通过获得目标靶
点、猫眼的空间位置可以计算出测量头的空间位
置。
在测量时，首先通过激光跟踪仪检测到猫
眼的位置，从而得到测笔的大概位置，然后相
缺点：
1）精度比传统的三坐标测量机要低，精度一般为 10μm 级以上； 2）关节臂测量机可能有测量死角或精度特别差的区域； 3）测量效率比较低。
美国 FARO 公司生产的铂金系列关节臂测量机单点精度可达 0.005mm，空间长度精 度可达 0.02mm，重量最轻可不超过 9.0kg。
非接触式三维测量技术
接触式 “测头直接与零件表面接触”
三维测量技术
基于“力-变形”原理的触发式测量
非接触式 “间接获得”，基于磁场、光学、超声波等物理模拟量
接触式三维测量技术
典型的接触式测量设备是三坐标测量机（CMM）和关节臂测量机。
上图关节臂测量机
关节臂测量机
优点：
1）机械结构简单； 2）运动灵活，测量范围大； 3）便携性好等特点。
特点： 1）具有测量速度快； 2）单次测量的数据点多，具备大规模采集表面数据的能力； 3）非接触式扫描，非接触式三维光学扫描方式，可针对外观复杂、自由
曲面、柔软易变形或易磨损等物体进行扫描； 4）精度高，独特的标定技术可使单面精度可达4μm。
在飞机、汽车和船舶等大型复杂零件的外形轮廓测量中已得 到了广泛的应用。
主要内容
• 研究的背景及意义 • 三维数据测量技术现状
1
研究的背景及意义
众所周知，测量一直都是工业领域中的重要内容，从产品的研制、 加工、到装配，各个环节都需要测量。在实际的生产中，利用传 统的检测方法对大型构件的测量，不仅费时费力，而且不易达到 精度的要求。 比如对航空大型构件、发动机叶轮、船体等测量。
简述结构光三维测量原理
简述结构光三维测量原理
结构光三维测量是一种常用的三维测量方法，它利用结构光原理进行测量。
结构光三维测量的原理是将一束光线从光源发出，经过透镜聚焦后形成一个平行光束，再经过一个光栅或者投影仪形成一个具有特定编码的光斑，将光斑投射到被测物体上，被测物体表面的形状和曲率会影响光斑的形状和大小，这样通过对光斑进行图像处理，就可以得到被测物体表面的三维信息。
结构光三维测量具有测量速度快、精度高、操作简便等优点，被广泛应用于工业制造、医疗、文化遗产保护等领域。
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测 物体从 不 同角 度 进 行 多 次 扫 描 ， 利 用 每 次 扫 描 的 三 维数 据 信 息 进 行融 合 ， 可 实 现大 尺 寸 空 间高
２ ０ １ ７ － ０ １ — ２ ０收稿 ，２ ０ １ ７ — ０ ２ — ２ ０录用 “ 国家仪器重大专项” （ ２ ０ １ ３ ＹＱ４ ９ ０ ８ ７ ９ ０ １ ） 、 中国博士后科学基金（ ２ ０ １ ３ Ｍ５ ４ ０ ７ １ ０ ） 、 四川 省博士后科学基金资助
维测量 系统相 对 于定 向靶 标 的位 姿 ， 在 反 向摄 像 机位 姿 传 递 的辅 助 下 ， 将 所有 结构 光 系统 单 次
测 量的 三维数 据 统一在 定 向靶 标 坐标 系下 ， 实现 大尺 寸 空间 高精 度 高分辨 率三 维 测量 目的 。反
向摄 影 结构 光三 维测量技 术体现 了信 息反 向传递 的优 势 ， 可 实现 无接 触 大尺寸 空 间结 构光 的三
点， 然后 利用 标 记 点 三维 坐标 确定 的世 界 坐标 系 进行 结 构光 单 次 三 维 测 量 数 据 融 合 。但 是 ， 在 集
成 近景摄 影 测 量 与 结 构 光 三 维 测 量 的方 案 中 ， 需
适合 大 尺寸 空 间高 精 度 三 维 测 量 的 目 的 ； 机 械 手
肖 永亮 ， 文永富 ， 李思 坤。 ， 张启灿
（ １ ．湘潭大学 物理与光 电工程学 院， 湖南 湘潭 ４ １ １ １ Ｏ ５ ； ２ ．北京理工大学 光 电学院 ， 北京 １ ０ Ｏ Ｏ ８ １ ； ３ ．中国科学院 上海光学精密机械研究所 信息光学与光 电技术实验室 ， 上海 ２ ０ １ ８ ０ ０ ；
传感需要配备 昂贵 的机械手视 觉传感器 ， 并完成
高 精度 的手 眼标 定 步 骤 ； 近 景 摄 影 测 量 全 局 定 位
可 以平 均分 配 各 个 视 场 三 维 数 据 的 融 合 误 差 ， 使 融合 结 果达 到 全 局 最 优 ， 且 不 受 不 同视 角 测 量 区 域重 叠 的 限制 ， 因 而在 实 际 大 尺 寸 三 维 测 量 中得 到广 泛 的应用 ［ 。 ］ 。
全 局数 据融 合 的过 程 中存 在 误 差 传 播 和 累 计 ， 不
３ Ｄ公 司的 ｓ ｔ ｅ ｒ ｅ ｏ Ｓ Ｃ ＡＮ— Ｄ Ｐ Ａ 系 统 等 。其 均 采 用 近景 摄影 测 量 进 行 全 局 参 考 坐 标 系 定 位 ［ １ ¨ ］ ， 在
待测 大 尺 寸 物 体 上 粘 贴 编 码 与 非 编 码 反 光 标 记
维 测量 。
关 键 词：大尺度 空 间 ； 结 构光 测量 ； 摄 影测 量 ；条纹 分析
ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ７ ５ １ ７ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ４ — ０ ４ ７ ５ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ２ ． １ ２ ０
文 章 编 号 ：１ ６ ７ ４ — ０ ４ ７ ５ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ２ — ０ １ ２ ０ — １ １
＊通 讯 作 者 ， Ｅ ｍａ ｉ ｌ ：ｙ ｌ ｘ ｉ ａ ｏ ＠ｘ ｔ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
１ ２ Ｏ
第２ 期
肖永亮等 ： 反向摄影 大尺度空间结构光三维测量
１ ２ １
精 度高 分 辨 率 三 维 形 貌 测 量 的艰 巨任 务［ ２ ≈ ］ 。典 型 的三 维 融 合 方 案 包 括 序 列 匹 配 ］ 、 机 械 手传 感 和 近景 摄影 测量 全 局 坐标 系定 位 ｌ ＿ ５ ］ 。序 列 匹 配 以 两 两视 角测 试 数 据 的重 叠 区域 为 数 据 源 ， 在 完 成
结 构光 三 维 测量 ｌ １ ］ 以其 高精 度 、 高分 辨 率 、 非 接 触等 优点 在大 尺寸 空 间三 维测 量 方 面 表 现 出强
大 的应 用潜 力 。在 结 构 光 三 维 测 量 的过 程 中 ， 由
过 单次 测量 获得 大尺 寸空 间 待测 度 高 分辨 率 的 整体 三 维 信息， 特 别是 大尺 寸空 间 特征 的物体 ， 需要 将 待 测
表 面划 分成 多 个 测 量 区域 ， 采 用 结 构 光 技 术 对 待
于 摄像 机视 觉传感 器 的视 场 范 围有 限或 被 测表 面 相 互遮 挡等 原 因 ， 其 可测 量 的 区域 范 围是 有 限的 ，
只能测 量待 测 表 面 区域 部 分 的三 维 形 貌 ， 不 能 通
第３ ５ 卷 第２ 期
２ ０ １ ７ 年 ３ 月
影 像 科 学 与 光 化 学
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｓ
Ｖ ｏ １ ． ３ ５ Ｎ ｏ ． ２
影 像获 取与信 息系统专刊
反 向摄 影 大 尺 度 空 间 结 构 光 三 维 测 量
４ ．四川大学 电子信息学 院，四川 成都 ６ １ ０ ０ ６ ４ ）
摘
要： 结合 结构 光三 维测量 与近 景摄 影测 量各 自的优 势 ， 实现 高精度 高分 辨 率三 维测 量 ， 成 为
大尺寸 空 间光 学 三维测 量的 有效 手段 。其测 量过程 需在 待测 物体 上 粘贴 一定数 目的标 记 点 ， 而 粘 贴标记 点会 带 来一 系列 的缺 点和 限制 。本 文提 出舍 弃粘 贴标记 点 的步骤 ， 从 理论 上 分析 了反
向摄 影 大尺度 空 间结构 光三 维测 量的 可行 性 。在 结 构 光 三 维测 量 系统 上安 装 辅 助 的反 向摄 像
机， 在 结构光 系统进 行 大尺 寸物体局 部 三 维数 据 单 次测 量 时 ， 用辅 助 摄像 机 反 向观 测作 为 定 向
靶标 的 大型液 晶显 示 器 ， 根据反 向摄 像机 对液 晶定 向靶 标 的 多次成像 约束 ， 反 向追踪 结构 光 三