光学三维测量技术
光学检测的综述
光学检测的综述光学检测的综述摘要随着科学技术和⼯业的发展，测量检测技术在⾃动化⽣产、质量控制、机器⼈视觉、反求⼯程、CAD/CAM以及⽣物医学⼯程等⽅⾯的应⽤⽇益重要。
传统的接触式测量技术存在测量⼒、测量时间长、需进⾏测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因⽽不能满⾜现代⼯业发展的需要。
近年来由于光学⾮接触式测量技术克服了上述缺陷，其⾮接触、⾼效率、⾼准确度和易于实现⾃动化的特点，成为近年来测量技术研究的热点。
本⽂介绍了多种基于各种测量原理的光学检测⽅法。
关键词:光学检测；三维测量; 数字相移;1.光电检测技术光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、衍射、折射、透射等）进⾏检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
由输⼊电路、放⼤滤波等检测电路提取有⽤的信息，再经过A/D变换接⼝输⼊微型计算机运算、处理，最后显⽰或打印输出所需检测物体的⼏何量或物理量[1]。
如图1所⽰光电检测系统的组成。
图1 光电检测系统光电检测技术的特点：–⾼精度：从地球到⽉球激光测距的精度达到1⽶。
–⾼速度：光速是最快的。
–远距离、⼤量程：遥控、遥测和遥感。
–⾮接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进⾏测量。
–寿命长：光电检测中通常⽆机械运动部分，故测量装置寿命长。
–数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能⼒。
光电检测的⽅法：直接作⽤法差动测量法补偿测量法脉冲测量法光电检测系统◆主动系统/被动系统(按信息光源分)–主动系统通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制。
如图2所⽰图2 主动系统的组成框图–被动系统光信号来⾃被测物体的⾃发辐射。
如图3所⽰图3 被动系统的组成框图◆红外系统/可见光系统(按光源波长分)[2]–红外系统多⽤于军事,有⼤⽓窗⼝,需要特种探测器。
–可见光系统多⽤于民⽤◆点探测/⾯探测系统(按接受系统分)–⽤单元探测器接受⽬标的总辐射功率。
线结构光测量原理
线结构光测量原理一、引言光学测量技术在工业制造和科学研究中广泛应用，其中线结构光测量技术是其中一种常见的非接触式三维形貌测量方法。
本文将详细介绍线结构光测量原理。
二、线结构光测量概述线结构光测量是通过投射一系列平行或等距的光条或光点，利用被测物体表面反射或散射的光线信息，通过相机成像和数字图像处理等方法，得到被测物体表面的三维形貌信息。
这种技术适用于对各种形状、大小及复杂程度的物体进行精确快速地三维形貌检测。
三、线结构光投影原理1. 光源选择线结构光投影需要使用高亮度、高稳定性和长寿命的激光作为光源。
常见的激光器有半导体激光器和氦氖激光器等。
2. 投影方式选择根据被测物体的大小和形状以及实际应用需求，可以选择平行投影或斜向投影方式。
平行投影方式适合于大型物体表面形貌测量，而斜向投影方式适合于小型物体表面形貌测量。
3. 投影光线的平行化为了确保投影光线的平行性，需要使用特殊的透镜或棱镜对激光进行调制和聚焦，使得激光束变成一条平行的线条或点阵。
四、被测物体表面反射原理当投射的光线照射到被测物体表面时，会发生反射和散射现象。
其中，反射现象是指光线从被测物体表面上反弹回来；散射现象是指部分光线在经过物体表面后发生偏折和扩散。
五、相机成像原理1. 相机选择相机需要具有高分辨率、高灵敏度和低噪声等特点。
常用的相机有CCD相机和CMOS相机等。
2. 摄像头位置选择摄像头与激光器之间的距离以及摆放角度会影响到成像质量。
一般情况下，摄像头与激光器之间应保持一定距离，并且角度不宜过大或过小。
3. 图像采集与处理相机采集到的图像需要进行数字化处理，包括去噪、滤波、边缘检测、图像配准等步骤。
最终得到的是被测物体表面的三维坐标信息。
六、误差分析线结构光测量中存在多种误差来源，如光源稳定性、投影光线平行度、摄像头位置不准确等。
这些误差会对最终的测量结果产生影响，因此需要进行误差分析和校正。
七、应用领域线结构光测量技术广泛应用于机械制造、汽车工业、电子制造等领域。
光学传感三维面形的测量方法探索
物理电子学院 ，成都
萍
６ １ ０ ０ ５ ４ ）
（ 电子科技 大学
摘要 ：用投影 式相移技 术对被测 面条 纹进行 计算机相移法 的 自动 处理 ，设计 实验 光路 ，对被测 面条纹进行 图像 采 集，通过 标定 以及软 件处理进 ＃ｓ － 维重建 ，可以观 察到 图像的三维 结构 ，着力培 养大 学生的在 实验 中遇到 问题 的解 决能力 ，对培 养 大学生创新 实践能力具有 重要 意义。 关 键 词 ：光学 ；相移技术 ；三 维面型 ；创 新 实践 中 图分 类号 ：０ ４ ３ ５ ；Ｇ ６ ４ ２ ． ４ ２ ３ 文 献 标 志 码 ：Ａ ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２－ ４ ５ ５ ０ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ６ ３
ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｎ ｇ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ａ ｔ ｈ， ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ｇ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｆ ｉｎ ｒ ｇ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｄ ｅ ｍａ ｒ ｃ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｅｆ ｆ ｏ ｒ ｔ ｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｂ ｅ ｅ ｎ ｐ ｕ ｔ ｔ ｏ ｆ ｏ ｓ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｅ ｎ ｔ ｓ ’ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｔ ｏ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ Ｏ Ｕ ｔ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ，ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｓ ｉ ｎｉ ｇ ｉ ｆ ｃ ａ ｎ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｕ ｌ ｔ ｉ ｖ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｕ ｄ ｅ ｎ ｔ ｓ ’ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
线结构光测量原理
线结构光测量原理线结构光测量原理是一种广泛应用于工业领域的光学测量技术，通过利用光学干涉原理和数字图像处理技术，实现对物体表面形貌和位移的高精度测量。
本文将从原理、应用和优势三个方面介绍线结构光测量技术。
我们来了解线结构光测量的原理。
线结构光测量是一种非接触式的三维测量技术，它通过投射一系列平行的光线或光点到被测物体表面，利用被测物体表面的形变来获取物体的三维形貌信息。
在测量过程中，通过相机捕捉被测物体表面的光条纹或光点图案，再通过数字图像处理技术提取出光条纹或光点的位置信息，从而实现对物体表面形貌和位移的测量。
线结构光测量技术在各个领域都有广泛的应用。
在工业制造领域，线结构光测量技术可以用于产品的三维检测和质量控制，例如汽车车身表面的测量、机械零件的尺寸检测等。
在医学领域，线结构光测量技术可以用于牙齿的三维扫描和数字化重建，有助于医生制定治疗方案。
在文物保护领域，线结构光测量技术可以用于文物的三维数字化保护和修复，为文物保护工作提供重要的技术支持。
线结构光测量技术具有许多优势。
首先，线结构光测量技术是一种非接触式的测量方法，可以避免对被测物体造成损伤，适用于对表面脆弱或易变形的物体进行测量。
其次，线结构光测量技术具有高精度和高速度的特点，可以实现对物体表面形貌和位移的快速准确测量。
此外，线结构光测量技术还具有较强的抗干扰能力，可以在复杂的环境下进行测量，具有较强的适应性和稳定性。
线结构光测量技术是一种应用广泛、效果显著的光学测量技术，具有许多优势和特点，适用于工业制造、医学、文物保护等各个领域。
随着科学技术的不断发展，线结构光测量技术将在未来发挥更加重要的作用，为各个领域的发展提供更多的技术支持和解决方案。
光学测量方法
光学测量方法光学测量方法是一种利用光学原理进行测量和检测的技术手段。
它通过使用光线与被测量对象相互作用，利用光的传播和反射特性来获取被测量对象的信息。
光学测量方法在科学研究、工业制造和生命科学等领域具有广泛应用。
本文将介绍几种常见的光学测量方法，包括激光测距、衍射测量和干涉测量。
一、激光测距激光测距是一种利用激光束测量距离的方法。
其原理是将激光束发射到被测量对象上，通过测量激光束的发射和接收时间差来计算出距离。
激光测距具有高精度、长测距范围和非接触性的特点，广泛应用于建筑、制造业和地理测量等领域。
二、衍射测量衍射测量是一种利用光的衍射现象进行测量的方法。
当光通过物体边缘或孔径时，会发生衍射现象，产生衍射图样。
通过观察和分析衍射图样，可以获得被测量对象的信息，如物体的大小、形状和表面粗糙度等。
衍射测量广泛应用于光学显微镜、天文望远镜和X射线衍射仪等领域。
三、干涉测量干涉测量是一种利用光的干涉现象进行测量的方法。
当两束或多束光线相交时，会产生干涉现象。
通过观察和分析干涉图样，可以获取被测量对象的信息，如厚度、形状和折射率等。
干涉测量具有高精度和高灵敏度的特点，广泛应用于表面质量检测、光学薄膜测量和光学干涉仪等领域。
四、光学相干层析成像光学相干层析成像是一种利用光学相干层析技术进行图像重建的方法。
它通过使用干涉测量原理，测量多个方向上的光学干涉信号，并通过计算重建出被测量对象的三维结构图像。
光学相干层析成像具有非破坏性、高分辨率和无需标记的优点，广泛应用于医学影像学、材料检测和生物医学等领域。
总结：光学测量方法是一种利用光学原理进行测量和检测的技术手段。
激光测距、衍射测量、干涉测量和光学相干层析成像是常见的光学测量方法。
它们各自具有不同的原理和应用领域，可以满足不同需求的测量和检测任务。
随着科学技术的不断发展，光学测量方法将在更多领域发挥重要作用，推动科学研究和工业制造的进步。
非接触式光学测量技术的研究和应用
非接触式光学测量技术的研究和应用光学测量技术是一种重要的测量手段，广泛应用于各个领域。
随着科技的发展，传统测量方式已经不能满足实际应用的需求，因此非接触式光学测量技术应运而生。
本文将介绍非接触式光学测量技术的研究和应用，主要包括三个部分：基本原理，稳定性和精度，以及应用领域。
一、基本原理非接触式光学测量技术是指在不接触被测物体的情况下，利用光学原理进行测量的方法。
常用的非接触式光学测量手段有：光学投影仪、白光干涉仪、激光干涉仪、激光测距仪、激光扫描仪等。
以白光干涉仪为例，其基本原理是利用分光的原理将合成光分成两束相干的光，照射到被测物体表面，在两束光的干涉区域形成干涉条纹。
通过对干涉条纹进行分析，可以了解被测物体表面的形态、形貌、形变等信息。
二、稳定性和精度稳定性和精度是评价非接触式光学测量技术的重要指标。
在实际应用中，测量数据的准确性和可靠性是至关重要的。
因此，非接触式光学测量技术必须具备高度的稳定性和精度。
稳定性是指测量系统在长时间内维持相同的测量条件下所表现出的稳定性能。
比如温度、湿度、光源灯泡寿命等因素都会对系统的稳定性产生影响。
对于精度而言，其取决于测量系统的分辨率和测量范围。
分辨率是指系统的最小检测单位，而测量范围则是指系统可以测量的最大尺寸范围。
三、应用领域非接触式光学测量技术在各行各业都有着广泛的应用。
它可以用于测量物体的各种形态和细节，具有测量范围广、精度高、测量速度快等优点。
下面我们将对几个常见的应用领域进行介绍。
1. 三维扫描测量三维扫描测量是非接触式光学测量技术的一种主要应用。
它可以对被测物体进行全局或局部的数字化建模，为后续设计、制造和加工提供数据支撑。
目前，三维扫描测量技术已经在航空、汽车、医疗等领域得到广泛应用。
2. 表面形貌测量表面形貌测量是非接触式光学测量技术的另一个重要应用领域。
采用非接触式光学测量技术可以实现对微小几何形状和表面质量的测量，如表面粗糙度、平面度、圆度、直线度等参数。
光电子技术的应用与发展
光电子技术的应用与发展光电子技术是近年来发展较快的前沿技术之一，主要应用于高端制造、航空航天、医疗、通信等领域。
今天我们就来探讨一下光电子技术的应用与发展。
一、激光应用激光是光电子技术中应用最广泛的技术之一。
激光的高亮度、纯度和方向性，使其应用于切割、打标、微加工、变形等领域。
在医疗领域中，激光可用于眼科手术、皮肤美容等。
而在自动驾驶领域，激光雷达则能够提供高精度的三维感知数据，为自动驾驶的实现提供了重要的支持。
二、光纤通信光纤通信是传输高速数据的主要方式之一。
与传统的电信网络相比，光纤通信速度更快、容量更大、传输质量更稳定。
光纤通信技术的应用领域包括互联网、电视直播、在线教育等。
而随着5G时代的到来，光纤通信的应用前景更加广阔。
三、光学测量技术光学测量技术是一种用光学原理测量物体表面形状和尺寸的技术。
光学三维测量技术的应用领域非常广泛，包括机械制造、汽车、电子、航空航天等领域。
光学三维测量技术可用于检测零件的精度、表面处理、开发新产品等。
四、物联网物联网是利用互联网、无线传感器网络等技术将普通物品与互联网相连的技术。
而光电子技术作为物联网技术的重要组成部分之一，其应用领域非常广泛。
光电子技术可为物联网提供更加可靠、稳定的传输和测量手段。
例如，光学传感器可用于测量温度、湿度等环境数据，为物联网提供了更加广阔和多样的应用场景。
五、光电子技术的未来随着人工智能、物联网等技术的迅速发展，光电子技术的应用场景将更加广泛。
光电子技术与人工智能的结合，将会使得光电子技术在自动驾驶、智能制造、医疗等领域更加智能化。
光电子技术的发展，将有力支持基础设施建设、推动社会现代化进程，推动我国经济发展。
光电子技术已经成为现代化技术的重要组成部分之一，对于我国技术和经济的发展具有重要的战略意义。
相信在技术的不断创新和发展中，光电子技术将会有更加广泛的应用和更加卓越的成就。
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 -
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再现）等诸多领域。
23-21
4
总结
光学三维信息获取技术有多种，每种方法各有其产生
背景和适用范围，各有优缺点。随着现代计算机技术的
飞速进步，计算机图形图像处理、辅助设计、多媒体技 术越来越广泛深入地应用于工业、国防、医学、影视业、 广告等各个领域，人们经常需要能迅速地获得物体表面 的三维信息，将其转变成计算机能直接处理的数据。如
23-18
3
应用
3、医学图像三维表面重建： 现代医疗诊断常常需要借助一些辅助设备为诊 断提供可靠的、完整的信息，因此，人体组织与 器官的三维成像技术在现代临床医学中起着越来 越重要的作用. 医生可以将重构出的器官图像进行旋转缩放等 操作，使医生能够更充分地了解病情的性质及其 周围组织的三维结构关系，从而帮助医生做出准 确的诊断和制定正确的手术方案。
这种测量方法测量精度高，但测量范围受到光波 波长的限制，只能测量围观表面的形貌和微小位移， 不适于宏观物体的检测。
23-10
2
测量原理
3、三角测量法： 光学三角法是最常用的一种光学三维测量技术，
以传统的三角测量为基础，通过待测点相对于光学基
准线偏移产生的角度变化计算该点的深度信息。根据
具体照明方式的不同，光学三角法可分为两大类：被 动三角法和基于结构光的主动三角法。
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2
测量原理
基于三角测量原理的三维测量技术 基于结构光的主动三角法 被动三角法 数字摄影测量技术 双目视觉
点光源法 点照明 1D线探测器 2D扫描
线光源法 线照明 2D线探测器 1D扫描
面光源法 面照明 2D线探测器 不需要扫描
莫尔轮廓 如：阴影莫尔 投射莫尔
相位测量技术 序列编码技术 如：格雷（Gray） 如：相位测量轮廓术 傅里叶变换轮廓术 编码序列
玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用，其中三维激光
扫描技术发展的最为成熟，应用也最为广泛。
23-03
1
概述
接触式测量
物体三维形状测量
物体三维接触式测量的典型 代表是三坐标测量机(CMM， Coordinate Measuring Machine)。
非接触式测量 非接触式三维测量不需要与待测 物体接触，可以远距离非破坏性 地对待测物体进行测量。
23-15
3
应用
23-16
3
应用
条纹投影的三维成像系统实例
23-17
3
应用
2、三维人体测量：
三维人体测量是以光学测 量为基础，使用视觉设备来捕 获物体外形，然后通过系统软 件来提取扫描数据。其工作流 程分为以下四个步骤：1)通过 机械运动的光源照射扫描物体； 2)CCD摄像头探测来自被扫描 物体的反射图像；3)通过反射 图像计算人体表面特定点到摄 像头的距离；4)通过软件系统 转换距离数据产生三维图像。
彩色编码技术 如：彩色多通道 编码实现相移
23-12
2
测量原理
23-13
2
测量原理
23-14
3
应用
1、逆向工程：
逆向工程是一种新的制造手段和系统，通过对已有样件或模型
的内外轮廓进行精确测量，获得其三维数据，配合计算机软件系统 进行曲面重建，并在线精度分析、评价构造效果，重构CAD模型， 生成IGES或STL数据，或者生成数控加工NC代码，据此进行快速成 型或CNC数控加工，从而大大缩短产品或模具的开发制造周期。利 用光学三维测量技术生成的虚拟模型可以实现快速响应设计制造， 3D光学数字化系统与CAD/CAM/CAE以及RP&M集成可以构成基于 虚拟模型的快速响应的设计和制造系统，主要优点包括：实际物体 的准确和完整的模型；提供原始CAD文件格式；曲面造型和参数实 体模型；在设计和制造中节省投入的时间和资金。
23-04
1
概述
图 ： 三 坐 标 测 量 机
23-05
1
1
概述
接触式测量
优势 灵活性强 精度高且可靠 测量方便 非接触式测量 微波技术 非接触式测量 光波技术 超声波技术 三角法 干涉法 飞行时间法
23-06
物体三维形状测量
1
概述
适合于大尺度三维测 量，爱里斑半径较大， 角度分辨率低。 光波波长短，角度分 辨率和深度分辨率高， 三维测量运用最多。 可穿透介质实现无损 检测探伤，但需耦合 介质，限制了用范围。
23-19
3
应用
3、医学图像三维表面重建： 光学三维测量还广泛用于研究面部软组织形态和 对称性，比较牙齿的差异，以及外科、骨科用于脊柱 及侧凸的检测，假牙假肢的量身定做。如图：
生物医学成像实例
23-20
3
应用
除此之外，光学三维测量技术还可以用于 1、虚拟现实
（提供虚拟现实系统所需要的大量三维模型数据，
光学三维测量技术郗珍妹来自物研1306班 13126003
23-01
1
2 3 4
概述
测量原理 应用 总结
23-02
1
概述
光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于
一体的智能化，可视化的高新技术，主要用于对物体空 间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得 物体表面点的三维空间坐标。随着经济的发展和科技的 进步，光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度 高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、
飞行时间法以对信号检测的时间 分辨率来换取距离测量精度，测 飞行时间法 量系统必须要有极高的时间分辨 率，常用于大尺度远距离的测量。
23-08
2
测量原理
1、飞行时间法：
23-09
2
测量原理
2、干涉法： 一束相干光，同过分光系统分成测量光和参考光，
利用测量光波和参考光波的相干叠加来确定两束光之
间的相位差，从而获得物理表面的深度信息ΔZ(xy).
微波技术
非接触式测量
光波技术
超声波技术
23-07
1
概述
三角法
最常用的光学三维测量技术，以 传统的三角测量为基础，通过待 测点相对于光学基准线偏移产生 的角度变化计算该点的深度信息。 测量精度高，但测量范围受到 光波波长的限制，只能测量微 观表面的形貌和微小位移，不 适于大尺度物体的检测。
光波技术
干涉法
何将现实世界的立体彩色信息输入计算机的问题是光学
三维测量技术的研究重点，无论何时，基于计算机视觉 的三维信息获取技术将显示其不可替代的重要作用。
23-22
谢谢！
青 衣
23-23