05 第五章 激光视觉三维测量技术
测绘技术中如何进行三维视觉测量
测绘技术中如何进行三维视觉测量三维视觉测量作为测绘技术中的一个重要分支，用于获取三维空间中目标物体的几何形状、位置和姿态信息，具有广泛的应用领域。
本文将介绍三维视觉测量的原理、方法和应用，并讨论测绘技术中如何进行三维视觉测量。
一、三维视觉测量的原理三维视觉测量基于计算机视觉和图像处理技术，通过对多幅或多个视角的图像进行分析和处理，获取目标物体的三维信息。
其原理主要包括立体视觉几何、图像匹配和三维重建等。
立体视觉几何是三维视觉测量的基础，通过分析目标物体在多个视角下的图像，确定图像之间的对应关系，从而计算出目标物体的三维坐标。
图像匹配是指在多个视角的图像中找到对应的特征点或区域，将其通过几何变换关系进行匹配，得到目标物体在不同视角下的表面点云。
三维重建是基于图像匹配的结果，通过三维坐标的计算和数据处理技术，生成目标物体的三维模型。
二、三维视觉测量的方法三维视觉测量可以采用多种方法，包括立体匹配、结构光投影、激光扫描和摄像测量等。
立体匹配是最常用的三维视觉测量方法之一，通过对多个视角的图像进行匹配，获取目标物体的三维坐标。
该方法需要相机标定、特征提取和匹配算法等步骤，具有较高的测量精度和稳定性。
结构光投影是一种通过投影特殊图案或光栅来测量物体形状和表面细节的方法。
它利用结构光和相机的关系，通过图像处理和三维重建算法，得到目标物体的三维坐标和形状信息。
该方法适用于表面光滑的物体，具有测量速度快、适用范围广的优点。
激光扫描是一种通过激光束扫描物体表面得到三维坐标的方法。
它利用激光器发射激光束，通过对物体反射的激光进行检测和计算，获取物体表面的三维坐标。
激光扫描具有高精度、全自动化和非接触式等特点，适用于复杂形状的物体测量。
摄像测量是利用相机进行三维测量的一种方法，通过对物体的图像进行处理和分析，获取物体的三维坐标和形状信息。
它可以使用单目或多目相机，根据相机标定和图像处理算法，得到目标物体的三维模型。
摄像测量适用于大范围、复杂形状的物体测量，具有成本低、操作简便的优点。
三维数据测量技术
04
立体视觉测量技术
工作原理
立体视觉测量技术基于双目视觉原理， 通过模拟人眼观察物体的方式，利用两 个相机从不同角度获取物体的图像，以
获得物体的三维信息。
通过匹配对应点，即同一物体在两个相 机视角下的像素点，可以计算出像素点 之间的视差，进而推算出物体表面点的
空间坐标。
立体视觉测量技术能够快速、准确地获 取物体的三维数据，且对环境光照条件 要求较低，具有较高的测量精度和灵活
工作原理
激光雷达原理
三维激光扫描技术基于激光雷达原理， 通过向目标物体发射激光束并测量反 射回来的时间，计算出物体表面的三 维坐标。
高速旋转扫描镜
测量距离与精度
测量距离和精度取决于激光雷达的发 射功率、接收器性能以及反射物的性 质。
激光束通过高速旋转扫描镜进行发散， 实现对目标物体的全面覆盖扫描。
特点
高精度、高效率、非接触、可实现动 态测量等。
技术原理
光学原理
利用光学原理，如激光、结构光等，将光束投射到物体表面，通 过捕捉光束的反射信息，计算出物体的三维坐标。
机械原理
利用机械装置，如三坐标测量机、激光雷达等，通过移动测头或传 感器，逐点获取物体的三维坐标。
声学原理
利用声波在物体表面反射和传播的特性，通过测量声波传播的时间 或相位差，计算出物体的三维坐标。
高精度与高效率
总结词
随着科技的不断进步，三维数据测量技术也在不断发展，高精度与高效率成为 其重要的发展趋势。
详细描述
高精度是三维数据测量的基本要求，通过采用更先进的测量设备、优化算法和 数据处理技术，可以获得更高精度的测量结果。高效率则可以提高测量速度， 降低测量成本，满足快速生产的需求。
使用激光雷达进行三维测量的方法
使用激光雷达进行三维测量的方法激光雷达是一种常用的测量技术，可以高效地获取三维空间中物体的形状和位置信息。
在工业、建筑、航空等领域广泛应用。
本文将介绍使用激光雷达进行三维测量的方法。
一、激光雷达原理激光雷达利用激光束在空间中进行扫描，通过测量激光束的发射和回波时间来计算目标物体的距离。
其工作原理类似于声纳，只不过利用的是激光而非声波。
激光雷达一般由激光发射器、接收器、控制电路和数据处理单元等组成。
激光发射器发射出脉冲激光束，激光束照射到目标物体上并反射回来，接收器接收返回的光信号。
通过测量发射激光和接收回波之间的时间差，可以计算出目标物体与激光雷达的距离。
二、激光雷达测量方法使用激光雷达进行三维测量主要分为两种方法：主动测量和被动测量。
1. 主动测量主动测量是指激光雷达主动发射激光束进行测量。
这种方法可以获取目标物体的具体坐标和形状信息。
主动测量需要配备高性能的激光雷达设备，一般用于工程测量、地形测绘和机器人导航等应用中。
2. 被动测量被动测量是指利用激光雷达接收环境中的外部光源反射的光信号进行测量。
这种方法通常用于室内定位与导航、三维重建和智能驾驶等领域。
被动测量不需要发射激光，因此成本较低，适用范围更广。
三、使用激光雷达进行三维测量步骤使用激光雷达进行三维测量一般包括以下几个步骤：1. 设定测量范围：根据需要测量的目标物体或区域设定测量范围。
2. 放置激光雷达：根据测量范围的大小和形状，选择合适的位置放置激光雷达设备。
确保激光雷达可以全方位扫描到目标物体。
3. 启动激光雷达：按照激光雷达的操作手册启动设备，确保设备能够正常工作。
4. 数据采集：激光雷达在工作过程中会不断扫描目标物体，采集大量数据。
这些数据可以用于后续的分析和处理。
5. 数据处理：对采集到的数据进行去噪、滤波和分割等处理，提取目标物体的边界和形状信息。
6. 建立三维模型：根据处理后的数据，可以建立目标物体的三维模型，包括几何信息和纹理信息。
激光三角测量法
激光三角测量法
激光三角测量法是一种用于测量距离的技术，它可以用来测量距离远
至数千米的距离。
激光三角测量法的基本原理是：采用发射激光脉冲的激
光发射器发出激光脉冲，可以沿着矩形对角线以及对角线夹角组成三角形，以此计算距离。
它首先需要两个位置，即发射器和接收器，他们之间的距离可以通过
测量时间来计算。
发出的激光脉冲最终会被接收器接收，记录这激光脉冲
的发射时间和收到时间，接下来就可以根据激光脉冲在空气中的传播速度
计算出两个位置之间的实际距离。
激光三角测量法避免了传统测量方法中因人为因素和环境因素造成的
误差，而且它是一种无损测量方法，可以准确测量远距离。
而且激光三角
测量法可以实现实时测量，不需要额外的设备，便于安装和操作，可以应
用于复杂的非对称环境中。
三维激光扫描技术
通过三维激光扫描技术获取城市的点云数据，可 以快速建立城市的三维模型，为城市规划和管理 提供数字化基础。
环境监测
利用三维激光扫描技术对环境进行实时监测和数 据采集，为环境保护和治理提供依据。
04
三维激光扫描技术的优 势与挑战
优势
高精度测量
三维激光扫描技术能够实现高精度的 测量，获取物体表面的详细三维数据。
三维激光扫描技术
contents
目录
• 三维激光扫描技术概述 • 三维激光扫描系统 • 三维激光扫描技术的应用 • 三维激光扫描技术的优势与挑战 • 三维激光扫描技术案例分析
01
三维激光扫描技术概述
定义与特点
定义
三维激光扫描技术是一种通过激 光测距原理快速获取物体表面点 云数据的高科技手段。
特点
地形地貌测量
01
地形地貌数据获取
利用三维激光扫描技术快速获取地形地貌的高精度三维数据，为地理信
息系统（GIS）提供基础数据。
02
地形地貌动态监测
实时监测地形地貌的变化情况，如山体滑坡、地面沉降等自然灾害或人
为活动引起的地形变化。
03
土地资源调查与规划
基于地形地貌数据进行土地资源的调查、规划和利用，为土地管理和城
快速数据获取
扫描过程快速，可以在短时间内获取 大量数据，提高了工作效率。
非接触测量
该技术是非接触式的，不会对被测物 体造成损害，特别适合对脆弱或易碎 物体的测量。
实时数据处理
扫描的同时可以实时获取初步的三维 数据，便于及时调整和优化。
挑战
01
遮挡问题
当扫描过程中存在遮挡时，可能会 造成数据的丢失或失真。
设备成本
激光三维成像原理
激光三维成像，是一种基于激光的三维成像技术。
它的基本原理是利用激光束对物体进行扫描，通过测量激光束在物体表面反射或散射的时间、强度和相位等信息，来重建物体的三维形状和结构。
当激光束照射到物体表面时，会发生反射或散射，这些反射或散射的光线会携带物体表面的信息，如形状、纹理和颜色等。
通过测量这些光线的时间、强度和相位等信息，可以重建物体的三维形状和结构。
在激光三维成像中，通常使用一个或多个激光束对物体进行扫描。
这些激光束可以是连续的或脉冲的，它们的波长和功率可以根据不同的应用需求进行选择。
当激光束照射到物体表面时，会产生反射或散射的光线，这些光线会被探测器接收，并转换为电信号。
通过对这些电信号进行处理和分析，可以重建物体的三维形状和结构。
在重建过程中，通常使用计算机视觉和图像处理技术，如三角测量、结构光照明和深度学习等，来提高重建的精度和效率。
激光三维成像技术具有高精度、高效率、非接触和实时性等优点，在工业制造、医疗保健、文化遗产保护、地理信息系统等领域得到了广泛的应用。
视觉激光原理及应用
视觉激光原理及应用视觉激光是一种通过激光光束在物体表面形成散斑图案，并通过观察和分析散斑图案的变化来获取物体表面形貌和运动信息的技术。
视觉激光原理是基于光的干涉现象，利用激光光束经过衍射或散射后在物体表面形成散斑图案，通过观察和分析散斑图案的形态变化，可以得到物体表面的高度信息。
视觉激光广泛应用于工业测量、三维形貌重建、机器人导航等领域。
视觉激光的工作原理主要分为两个步骤：激光投射和散斑图案获取。
在激光投射过程中，激光器产生一束光经过透镜或棱镜透射后，在物体表面形成一个聚焦点。
当光束照射到物体表面时，一部分光束被散射和反射，形成散斑图案。
散斑图案的形成是由于光的波动性和物体表面形态的微小起伏所导致的。
散斑图案中的明暗变化反映了物体表面形态的细微变化，如平面、斜面、曲面等。
在散斑图案获取过程中，一种常用的方法是将激光散射到CCD或CMOS图像传感器上，并通过图像处理算法来分析散斑图案的变化。
图像传感器将散射光转化为电信号，并以图像的形式呈现出来。
通过观察和分析散斑图案中的亮度、边缘等特征，在物体表面形态不同时，散斑图案会出现不同的形态变化。
通过计算这些变化，在已知激光器参数和物体与激光器的相对位置的情况下，可以获取物体表面的高度信息。
视觉激光技术的应用非常广泛。
在工业领域中，视觉激光可以用于三维形貌测量、表面检测和质量控制等方面。
例如，在汽车制造过程中，可以利用视觉激光技术对汽车外壳的曲率进行检测，以保证汽车外壳的质量。
另外，视觉激光还可以用于机器人导航、三维地图构建等方面。
通过将激光传感器安装在机器人上，可以实时获取机器人周围环境的三维信息，使机器人能够感知和避障。
此外，在医学领域中，视觉激光也有着应用潜力。
例如，可以利用视觉激光技术对人体皮肤表面的皮肤组织进行检测，以实现皮肤病的早期诊断。
另外，视觉激光还可以用于眼科手术中的角膜屈光手术，通过测量患者的眼球曲率，实现精确的屈光度调整。
总之，视觉激光技术具有非常广泛的应用前景。
第5章 现代光电检测技术
5
1) 双频激光外差干涉仪
分辨力为0.01m，
L）
m
测量范围为61m
测量准确度
(0.0310-7)m
6
双频激光外差干涉仪测角
t
Hale Waihona Puke sin 1sin 1
dt
0
分辨力0.1“;不确定度1"
R
2R 7
8
双频激光外差干涉仪测量直线度 不确定度：0.4m
物体距离
端面跳动
表面不平度
PCB板焊点高度
硬盘表面测试
14
零件计数
测量表面形状、变形
轮胎磨损
槽深度/宽度
瓶盖膨胀变形
塑料板弯曲度
砂轮磨损检测
15
翘曲检测
测量零件尺寸
测量CD厚度
测量胶合板厚度 测量橡胶带厚度 测量台阶高度
测量胶片厚度
测量塑料板厚度
16
测量橡胶厚度
定位控制
确定电极位置
自动焊接定位控制
1） 激光扫描测量
激光扫描测量---将激光聚焦成光点或变换成线光、面光等进 行扫描 --- 适合于测量软、脆材料制成的物体，运动物体和高温物体
轧钢时在压轧机上连续进给的钢板宽度、钢棒直径测量、拉 制的玻璃棒直径测量等
18
激光扫描直径测量
19
激光束的角扫描运动
t
扫描速度
被测件直径
D Vt 2 ft
信号变化
距离信号
12
（3）特点： 1、非接触：测量光斑，无测力，无损害 2、适用广：对材质无要求（颜色、软硬、明暗、冷热） 3、测量范围：1mm ~ 200mm 4、精度高：10m ～ 0.01m 5、响应快：动态测试、实时控制 6、寿命长：工作可靠、无磨损、 7、绝对测距：可中断，可断电
三维激光扫描测量技术
科技信息2009年第31期SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 近年来，随着三维激光扫描技术的不断完善与发展，该项技术在数据采集方面显示出高效、快捷、准确、方便等优点。
本文首先介绍了空间数据、空间数据采集技术及其特点。
然后介绍了三维激光扫描技术的基本原理、技术构成以及几种常用的扫描模型。
接下来全面介绍了三维激光扫描测量系统的工作原理、系统组成、一般工作流程、系统的一些特征。
1．研究意义三维激光扫描系统作为一种技术成熟，应用刚刚起步的产品，在某些具体的应用中还存在许多的问题需要研究解决。
对三维激光扫描系统集成的多个传感器部件的融合应用给扫描结果带来误差进行分析，研究激光光斑的发散性对实体边缘和角落信息识别的影响，扫描点云数据的误差传播规律，激光光源对特定的材料的物体反射不敏感或者具有强反射特性的区域使得扫描数据出现“盲区”的现象，扫描视场的局限性等。
如何应用点云数据建立实体表面模型以及评价模型的精度，三维纹理信息的粘贴匹配，评估模型的建立及方法的选择，三维激光扫描系统校正体系不完善等问题都是目前地面三维激光扫描技术应用中亟待解决的。
针对三维激光扫描技术在应用中存在的问题，客观的评价三维激光扫描系统的价值，采取有效的手段弥补应用中的缺陷不足，尽可能的为后续研究人员提供参考借鉴，为推广该技术应用提供客观正确的依据。
借助于该技术的优势实现三维数据实时廉价获取，海量数据的快速存储与快速处理，建立完整的三维空间数据模型，进行精确的地理空间数据表达，都具有重要的意义。
2．三维空间数据与数据采集技术综述2．1三维空间数据采集技术利用天文测量、全站仪、GPS 接收机等其他常规的地面测量方式和激光雷达技术逐点或逐断面地采集地表点的空间坐标及其属性。
2.1.1天文测量技术2.1.2大地测量技术：经纬仪、全站仪、水准仪2.1.3惯性测量技术：惯性测量仪器由陀螺稳定平台、加速度计和微机组成，可安装在运动体（如汽车、飞机、船舶）上，能同时测定空间某点的经纬度、高程、垂线偏差分量和重力异常等6个大地元素。
图像测量第五章三维图像测量2
组合特征(将几何和属性特征组合起来使用) 像素的邻域灰度分布等
基于双眼视差的测量方法
常用的(空间域)匹配特征
角点 直线
灰度分段
边缘点
结构
窗口 曲线
基于双眼视差的测量方法
常用的(空间域)匹配特征
基于双眼视差的测量方法
基于边缘特征的立体匹配算法描述
算法步骤：
（1） 初始化操作：将d(i,j)清零，并置： il=1，ir=1，jl=1和jr=1。 （2） 匹配运算： （2-1）从左边缘图像的第il 行当前列开始，寻找下一个待匹配 的边缘点Pil。这里，Pil的列指标由jl指示； （2-2）在右边缘图像的第ir=il 行上，寻找Pil的对应点Pir。方法 如下：比较候补边缘点和Pil 的幅值和方向，看是否一致。 如果需要的话，可引入顺序约束以进一步减少匹配运算。 上述过程不断进行直到在右图像上找到具有最大一致性 的边缘点为止，并将其定为Pil的对应点Pir。这里，Pir的 列指标由jr指示。然后，根据jl和jr的值计算待匹配的边 缘点Pil处对应的视差。即置d(il,jl)=jl-jr。
基于双眼视差的测量方法
匹配常用约束
P 外极平面 p 外极线 le Pir Pir,3 O b
视线
P1 P3 P2 投影线
Pir
Pil
l
r
O
成像几何约束 如果一个物点P在观测图像平面上的 投影为Pi，则Pi在图像平面上的位臵由透视投影的关 系式唯一确定。
基于双眼视差的测量方法
匹配常用约束
相容性约束 如果左图像平面上的一个像点 及其邻域具有某种不变的特性，则与该像点 对应的右图像上的像点及其邻域也具有同一 种不变特性。 只有彼此相容的特征之间才可以匹配。