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物體三維形貌提供豐富直觀的信息，在現(xiàn)代工業(yè)與生活中許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。的非接觸三維測(cè)量有著廣泛的應(yīng)用。經(jīng)典的外觀幾何測(cè)量諸如長(zhǎng)度，角度，平面度，直線度等的測(cè)量技術(shù)一般采用接觸式測(cè)試（比如三次元測(cè)量等設(shè)備）。隨著產(chǎn)業(yè)工業(yè)發(fā)展，產(chǎn)品復(fù)雜程度加大，特別是復(fù)雜物體外形數(shù)據(jù)的精確獲取，包括不規(guī)則自由曲面，，對(duì)傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量提出了挑戰(zhàn)。另外，從工業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)來看，一是超大規(guī)模的系統(tǒng)工程領(lǐng)域：載人航天，國(guó)際空間站，航空母艦，大飛機(jī)等；二是面向超高精度的微細(xì)工程：納米微操作機(jī)器人，微裝配/聯(lián)結(jié)/封裝等，其中微細(xì)工程是世界上最具競(jìng)爭(zhēng)和快速發(fā)展的技術(shù)方向之一。

近年來，隨著工業(yè)4.0概念的推動(dòng)，快速，實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)物外觀形貌的技術(shù)得到迅速發(fā)展，電子，光學(xué)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，以及人們?cè)趫D像處理，模式識(shí)別，人工智能技術(shù)領(lǐng)取取得了巨大成就。以工業(yè)化的CCD攝像為基礎(chǔ)的非接觸式三維輪廓測(cè)量成為研究重點(diǎn)?；诠鈱W(xué)方法基礎(chǔ)上的三維測(cè)量技術(shù)具有無損，全場(chǎng)，快速，高分辨率和易于實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化的特點(diǎn)。

光學(xué)三維形貌測(cè)量概述

光學(xué)三維形貌測(cè)量時(shí)光學(xué)信息科學(xué)的主要研究領(lǐng)域，是目前工程應(yīng)用最有發(fā)展前途的測(cè)量方法。因?yàn)槠浞墙佑|和全創(chuàng)測(cè)量的特點(diǎn)，在精密計(jì)量，機(jī)械制造，質(zhì)量控制，生物醫(yī)學(xué)，人體測(cè)量和文物考古等方面得到廣泛應(yīng)用。光學(xué)形貌測(cè)量是現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融合電子學(xué)，計(jì)算機(jī)圖像處理，圖形學(xué)，信號(hào)處理等科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)，把通過被測(cè)目標(biāo)調(diào)解后的光學(xué)圖像作為檢測(cè)和信息載體加以使用，從圖像中提取被測(cè)目標(biāo)表面信息的一種方法，根據(jù)測(cè)量基本原理和實(shí)施方法可以分為攝影測(cè)量方法，結(jié)構(gòu)光法，光學(xué)干涉方法。

攝影測(cè)量法（Photogrammetry）-雙目視覺法

攝影測(cè)量是基于多個(gè)視覺幾何級(jí)數(shù)的被動(dòng)測(cè)量方法，在自然光照明情況下，從多個(gè)視角獲取物體圖像，然后根據(jù)獲取的圖像與攝像鏡頭角度的匹配，從而還原物體的三維結(jié)構(gòu)形貌。

其中，雙目立體視覺法使用比較普遍。使用兩臺(tái)攝像機(jī)從設(shè)定角度對(duì)同一物體完成攝像，獲取兩幅圖像并調(diào)解出兩幅圖像中的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)，根據(jù)三點(diǎn)同線原則，組立求解共線方程組完成圖像坐標(biāo)到空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)三維形貌的確定。

該方法主要應(yīng)用在軍事，地貌等測(cè)量環(huán)境，為解決測(cè)點(diǎn)圖像和視角的同態(tài)匹配問題，一般在被測(cè)物體表面放置標(biāo)定點(diǎn)，從而精確標(biāo)定算法，然后使用插值算法實(shí)現(xiàn)被測(cè)三維形貌恢復(fù)。

缺點(diǎn)：該方法測(cè)量精度一般比較低，數(shù)據(jù)運(yùn)算量打，不適合精密測(cè)量，一般使用與目標(biāo)識(shí)別，定位，以及位姿分析。

優(yōu)點(diǎn)：類似于人類的眼睛體視功能，測(cè)量范圍大，測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)采集快捷方便，不受物體顏色影響，在計(jì)算機(jī)視覺和自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用背景

結(jié)構(gòu)光法（Structured Light Method）-三角激光法

直接三角法包括激光三角法，光切法和全場(chǎng)結(jié)構(gòu)光法。主要原理是利用光學(xué)中的著名的三角關(guān)系來實(shí)現(xiàn)物體高度的測(cè)量，目前該技術(shù)比較成熟。比如日本Keyence公司的光學(xué)測(cè)量器件主要采用三角法技術(shù)。目前大多數(shù)三維形貌測(cè)量技術(shù)都衍生于三角法測(cè)量技術(shù)。

根據(jù)掃描方式不同，包括點(diǎn)掃描激光三角法和線掃描技術(shù)，前者是目前較成熟的測(cè)量形貌和高度方法，典型的測(cè)量范圍在5mm到25mm，精度為萬分之一，測(cè)量頻率40KHz。一般用線性CCD或PSD記錄光斑位置，光斑位置的移動(dòng)和物面高度相關(guān)，其尺寸大小及雜散光影響測(cè)量精度。三角測(cè)量法一般采用激光作為光源，測(cè)量范圍比較大，并能抑制噪聲。光切法是用線結(jié)構(gòu)光代替單點(diǎn)結(jié)構(gòu)光，實(shí)現(xiàn)表面的快速測(cè)量掃描。

激光三角法和光切法具有測(cè)量精度高，算法簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，用于工業(yè)領(lǐng)域，并替代三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備中的接觸式掃描探頭，實(shí)現(xiàn)物面三維形貌測(cè)量，缺點(diǎn)是單次測(cè)量獲取信息量小并且需要精密的掃描機(jī)構(gòu)，測(cè)繪效率不高。為進(jìn)一步提高測(cè)量速度和效率，現(xiàn)階段研究者提出利用面結(jié)構(gòu)光投影代替點(diǎn)線結(jié)構(gòu)光來實(shí)現(xiàn)物體形貌的全場(chǎng)測(cè)量。

結(jié)構(gòu)光法（Structured Light Method）-條紋法

所謂條紋指的是以透射光柵為例，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度θ，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對(duì)平行放置時(shí)，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“條紋”。嚴(yán)格地說，條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為條紋的寬度

目前輪廓測(cè)量主要用于工業(yè)檢測(cè)，人體輪廓檢測(cè)等，由于條紋輪廓法靈敏度不夠高，還不能滿足工業(yè)上的一些高精度測(cè)量要求，主要用在人體輪廓檢測(cè)，包括骨科，胸外科和整形外科方面。

結(jié)構(gòu)光法（Structured Light Method）-飛行時(shí)間法

結(jié)構(gòu)光技術(shù)指的是利用具有特定幾何特性的結(jié)構(gòu)光源照明物體，物體表面的輪廓特性對(duì)結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生調(diào)制特性，通過檢測(cè)到的調(diào)制光辨識(shí)出物體表面輪廓特性。根據(jù)所用結(jié)構(gòu)光和測(cè)量原理區(qū)別分為時(shí)間調(diào)制和空間調(diào)制兩大類，其中飛行時(shí)間法是基于時(shí)間調(diào)制的方法

飛行時(shí)間法是利用光束在空間傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)激光脈沖信號(hào)從發(fā)射端出發(fā)，經(jīng)過物體表面漫反射后，幾乎沿著完全相同的路徑返回到接收端。檢測(cè)光脈沖從發(fā)射到接收之間的時(shí)間延遲，可以計(jì)算出被測(cè)物體表面到光脈沖發(fā)射端的距離。

結(jié)構(gòu)光法（Structured Light Method）-相位測(cè)量法

相位測(cè)量法是利用光柵投影并通過圖像分析得到精確測(cè)量的技術(shù)。通過相位測(cè)量，可以提高測(cè)量分辨率并對(duì)圖像信息深度挖據(jù)。相位測(cè)量是結(jié)構(gòu)光技術(shù)和光學(xué)干涉測(cè)量相結(jié)合產(chǎn)生的測(cè)量方法。通過建立物體表面高度和投影到物體表面條紋相位的關(guān)系而獲得物體表面的三維信息?；谙辔环ǖ臈l紋投影三維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且具有全場(chǎng)高精度測(cè)量特點(diǎn)，成為目前最具潛力的三維形貌測(cè)量技術(shù)。

相位測(cè)量結(jié)構(gòu)功能主要包括條紋投影實(shí)現(xiàn)，條紋相位的獲取，和相位高度關(guān)系定義三個(gè)部分，其中條紋相位計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)測(cè)量的高度計(jì)算。

相位測(cè)量輪廓技術(shù)的原理

DO：投影光軸； CO：探測(cè)光軸

DC=d：軸間距，與平面平行

光軸到目標(biāo)點(diǎn)E投影本來應(yīng)該投影與B點(diǎn)， 由于被測(cè)表面形貌調(diào)制，在CCD成像在A點(diǎn)，AB=S(x,y)

H(x,y)=LS(x,y)/(d+S(x,y)

正玄光柵投影到待測(cè)物體表面，規(guī)定坐標(biāo)原點(diǎn)O系統(tǒng)相位為零。采用4步相移技術(shù)（每步90度，利用CCD攝像獲得4幅畸變光柵條紋圖光強(qiáng)，利用光強(qiáng)關(guān)系計(jì)算E點(diǎn)相位，在利用光柵直接投影到參考面（XY平面）的光強(qiáng)關(guān)系，得到A點(diǎn)相位。

相位差：

當(dāng)探測(cè)光軸高度L遠(yuǎn)大于被測(cè)面高度,測(cè)點(diǎn)高度差為

根據(jù)條紋相位獲取方法的不同，相位測(cè)量法又分位移相位法和空間相位法。相移動(dòng)法采用正弦光柵投影，通過獲取一個(gè)條紋周期內(nèi)的多幅相移條紋圖像，計(jì)算物面投影條紋相位分布，從而計(jì)算獲取物面三維形貌特性。

優(yōu)點(diǎn)：相移法中測(cè)得的物面每一點(diǎn)的相位值只與改點(diǎn)的光強(qiáng)度有關(guān)，對(duì)物面顏色及反射等引起的強(qiáng)度不均勻不銘感，測(cè)量精度高。

缺點(diǎn)：相移法需要采集多幅條紋圖像，測(cè)試速度慢，因此時(shí)間域相移法主要應(yīng)用在不需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量的場(chǎng)合。

空域相位法主要包括空域相移法，傅里葉變換法，蓋波變換法等。由于空域相移法只需要一幅或兩幅圖像就可計(jì)算條紋相位，數(shù)據(jù)量處理下，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控。但不適合用于測(cè)量梯度變換較大的場(chǎng)合。