1、被測物回波信號基于工業(yè)攝影與機器視覺的三維測量技術(shù)綜述攝影測量(Photogrammetry)是一門通過分析記錄在膠片或電子載體上的影像來 定被測物體的位置、形狀和大小的科學(xué)，屬于測繪學(xué)的分支學(xué)科。它包括航空攝測 量、航天攝影測量和近景攝影測量等。其中，近景攝影測量是指測量范圍小于 100 米，相機布設(shè)在物體附近的攝影測量。近年來，隨著微電子和半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā) 展，尤其是固體陣相機和計算機硬件的發(fā)展，使得工業(yè)攝影測量已進入全數(shù)字近景 攝影測量時代。同時，隨著機器視覺理論的迅速發(fā)展，機器視覺也逐漸發(fā)展成一門 由計算機技術(shù)、控制理論、人工智能和模式識別等眾多領(lǐng)域交叉綜合的新學(xué)科。1 .三維形貌與

2、變形測量技術(shù)簡介光學(xué)三維形貌與變形測量技術(shù)經(jīng)過近年來的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出多種技術(shù)及方 法。其中主要有：時間飛行法、全息干涉法、莫爾條紋法、結(jié)構(gòu)光方法(點、線、 面)、數(shù)字攝影測量法和數(shù)字圖像相關(guān)法等，下面介紹幾種常用的三維測量方法， 并分析在這些方面的研究發(fā)展情況。1)時間飛行法時間飛行法(Time of Flight)基于三維形貌對激光束產(chǎn)生的時間調(diào)制。 原理如圖1 所示。激光脈沖信號從發(fā)射器發(fā)出，經(jīng)待測物體表面反射后，沿近乎相同的路徑反 向傳回接收器，檢測激光脈沖從發(fā)出到接收時刻之間的時間差，就可以計算出距離。結(jié)合掃描裝置使激光脈沖掃描整個物體就可以得到三維形貌數(shù)據(jù)。脈沖信號激光 掃描器圖1

3、時間飛行法原理圖時間飛行法的分辨率約為1 mm。若采用亞皮秒激光脈沖和高分辨率的電子器件，深度分辨率可達亞毫米級。采用時間相干的單光子計數(shù)法，測量 lm距離，深 度分辨率可達30仙m;另一種稱之為飛行光全息技術(shù)的測量方法利用超短光脈沖結(jié) 合數(shù)字重建，深度分辨率可達 6.5pm,這種方法的優(yōu)點是不存在陰影和遮擋問題。 但是要得到較高的測量精度，對信號處理系統(tǒng)的時間分辨率有較高的要求。2）全息干涉法全息干涉法測量技術(shù)利用光的相干性原理，如圖 2所示，當兩束相干性好的光 束在被測物體表面相遇時，其光波發(fā)生干涉，形成的干涉條紋反映了物體的形貌信 息。記錄這些條紋，測量出相位差，再將相位信息轉(zhuǎn)換為物體的

4、表面形貌信息。光源反光鏡圖2 全息干涉法原理圖全息干涉法在20世紀70年代得到快速發(fā)展，成為光學(xué)三維測量技術(shù)的一個重 要分支。由于全息干涉法采用干板作為記錄介質(zhì)，干板曝光后需要化學(xué)處理，過程 十分繁瑣，因此限制了它的應(yīng)用范圍。數(shù)字全息技術(shù)是利用數(shù)字光學(xué)器件取代傳統(tǒng)光學(xué)全息中的干板來記錄全息圖， 重建過程全部在計算機中完成，因此數(shù)字全息不僅繼承了傳統(tǒng)光學(xué)全息的特點，而 且還具有以下優(yōu)點：無需干板化學(xué)處理，記錄過程和處理過程大大簡化，再現(xiàn)過程 全部由計算機完成，可以實時地進行圖像獲取和處理，便于實現(xiàn)自動化測量；采用CCD 記錄一幀圖像僅幾十毫秒，比干板曝光時間低兩個數(shù)量級，因而系統(tǒng)的抗震性要求大大

5、降低；數(shù)值重建既能得到重建光波的強度分布，也能獲取重建光波的相位信息， 數(shù)字全息干涉測量技術(shù)可以精確測定亞條紋及其變形量，測量精度得到提高。由于相位的變化正比于光波的光程差，所以全息干涉法的測量分辨率可以達到光波的百分之一，但需要相干性較好的光源和精確的干涉光路。外差全息干涉法能得到較高的測量精度，但測量速度極慢，并且系統(tǒng)成本昂貴。準外差方法的測量精度比外差方法低一個數(shù)量級，但其光路比較簡單，測量速度相對較快。全息干涉法主要應(yīng)用于形貌分析、微小粒子檢測、微小形變、微結(jié)構(gòu)、微缺陷的檢測，被測表面必須是平滑而緩變的。3）莫爾條紋法莫爾條紋法作為三維形貌測量的重要技術(shù)，起源于上世紀70 年代。 19

6、70 年英國的 D.M.Meadows 等人提出了應(yīng)用一塊光柵的照射型莫爾形貌法。之后，1977 年M Idesawa 等人提出了激光掃描型莫爾形貌測量方法。自此，莫爾三維形貌測量成為了莫爾技術(shù)的重要研究領(lǐng)域。莫爾條紋法的原理是用一塊基準光柵，來檢測由被測表面調(diào)制的影柵，進而由莫爾條紋的分布情況推算被測物體的表面形貌。從基本原理出發(fā)，出現(xiàn)了兩類不同布局的莫爾形貌裝置，其中一類是將基準光柵照射到物體表面，在物體表面形成陰影光柵，然后透過整形光柵進行觀察，這就是照射型莫爾法。照射型莫爾形貌可稱為陰影莫爾形貌，莫爾條紋是由基準光柵和物體表面所調(diào)制的、帶有物體相位信息的變形光柵疊加而成。照射型莫爾形貌

7、的測量裝置簡單、廉價，被測物前必須放置一塊基準光柵。被測物不大時是可行的，但物體較大時就需要更大的光柵，大尺寸光柵加工困難。測量精度取決于基準光柵的柵距，但制造大尺寸小柵距的光柵是較為困難的。隨著柵距的減小衍射效應(yīng)就變得更加顯著，很難獲得更高的測量精度。另一類是投影型莫爾，它的投影側(cè)類似于幻燈裝置。用以在被測物體上投射光柵而接收端是一架攝像機，它將空間光柵成像在基準光柵表面上，于是形成莫爾條紋圖投影型莫爾形貌測量的主要特點是：通過投影鏡頭的放大率來改變基準光柵的成像尺寸，適于測量較大尺寸的物體。對于較小的物體，采用縮小投影，既可以提 高測量分辨率又可以控制衍射現(xiàn)象的影響。莫爾形貌條紋攝影后再投

8、影，在物體上 可以直接觀測并把莫爾等高線描繪出來。可以方便地確定物體基準點條紋的序號， 并可以將變形光柵取出，通過二次曝光等處理后產(chǎn)生新的莫爾條紋測量方法。但測 量裝置相對于照射型來說較為復(fù)雜，光柵的節(jié)距受到透鏡分辨率的限制。4)結(jié)構(gòu)光法結(jié)構(gòu)光法根據(jù)所采用投射光束的不同，又分為點光束照射的光學(xué)三角測量技 術(shù)、線光束照射的光切測量方法以及面光束照明下的空間光調(diào)制技術(shù)。(1)光學(xué)三角法測量技術(shù)是一種基本的三維測量方法。它的測量原理是基于 傳統(tǒng)的三角測距的方法，根據(jù)此原理設(shè)計的激光測頭多用于改進型的三坐標測量機(CMM),以取代原有的接觸式測頭。通過這一改進使得三坐標測量機 (CMM)從 接觸式測量

9、邁向了非接觸式無損測量。但是這種方法測量范圍受到限制，并且由于 三坐標測量機(CMM )的固有特性只能進行離散點的測量，而無法獲取被測物體 全場的形貌。雖然逐步被光切法及面結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)取代，但它仍是光切法及面結(jié) 構(gòu)光三維測量的基礎(chǔ)。(2)光切法以激光逐點掃描法為基礎(chǔ)，它采用激光線光源經(jīng)柱面鏡產(chǎn)生平面 光照射在被測物表面，在被測物上產(chǎn)生一條明亮的光條，通過攝像機采集獲得數(shù)字 圖像，然后經(jīng)圖像處理即得物體在該光切面上的二維輪廓信息，進一步沿第三維步 進測量，就可得到物體的三維形貌全貌，原理如圖 3所示。圖3線結(jié)構(gòu)光原理圖圖4投影光柵面結(jié)構(gòu)光原理圖但光切法仍然存在采樣速度較慢等缺點，且難以實現(xiàn)被測

10、物與測量裝置之間的 相對旋轉(zhuǎn)測量，不適合大型物體的三維測量。(3)面結(jié)構(gòu)光技術(shù)是將一幅或者多幅光柵圖像投影到被測物體表面形成結(jié)構(gòu) 照明，最簡單的是將一系列光柵投影到物體表面，如圖 4所示。通過面陣CCD記 錄被測物體表面每個光柵的變化，并與參考平面上的光柵進行比較計算被測物體的 高度信息。面結(jié)構(gòu)光三維形貌測量技術(shù)是通過對平面二維光場分布進行結(jié)構(gòu)化，并投影形 成具有一定規(guī)律變化的三維空間光場，對被測物體進行照射并記錄物體表面光場的 變化實現(xiàn)對被測物體高度信息的測量。5)數(shù)字攝影測量法數(shù)字攝影測量系統(tǒng)如圖5所示，通過在物體的表面及其周圍放置標志點，包括 編碼點和非編碼點，然后從不同的角度和位置對物

11、體進行拍攝，得到一定數(shù)量的照 片，經(jīng)過數(shù)字圖像處理、標志點的定位、編碼點的識別，可以得到編碼點的編碼以 及標志點中心的圖像坐標。利用這些結(jié)果，經(jīng)過相對定向、絕對定向、三維重建、 以及平差計算，最后加入標尺約束及溫度補償，可以得到標志點準確的三維坐標。圖5數(shù)字攝影測量系統(tǒng)示意圖工業(yè)攝影測量系統(tǒng)使用高分辨率數(shù)碼相機，從多個角度拍攝預(yù)先布置的圓形參考點和帶有編碼的參考點，然后自動三維重建，得到工件表面參考點的三維坐標，精度可達0.1mm/m。數(shù)字攝影測量能在較短時間內(nèi)準確地獲得被測物體關(guān)鍵點的三維信息，從而實現(xiàn)物體的三維數(shù)字化建模，尤其適用于大型復(fù)雜工件的三維檢測，具有無接觸、靈活、快速等優(yōu)勢，因此

12、在反求工程、機械零件測量、虛擬現(xiàn)實等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。6）數(shù)字圖像相關(guān)法數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital Image Correlation Method,DICM ）是一種光測力學(xué)變形 測 量 方 法 。 數(shù) 字 圖 像 相 關(guān) 法 又 稱 為 數(shù) 字 散 斑 相 關(guān) 法 （ Digital Speckle CorrelationMethod,DSCM） 。 數(shù)字圖像相關(guān)法的原理是通過圖像匹配的方法分析試件表面變形前后的散斑圖像，來跟蹤試件表面上幾何點的運動位移場，然后計算得到應(yīng)變場。在數(shù)字圖像相關(guān)法算法中，圖像匹配時常用圖像子區(qū)的相關(guān)性來衡量不同圖像上兩個子區(qū)的相似程度，因此該圖像子區(qū)

13、常稱為“相關(guān)窗”。與其它變形測量方法相比，數(shù)字圖像相關(guān)法對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性更好,這是由數(shù)字圖像相關(guān)法的特性決定的。首先， 數(shù)字圖像相關(guān)法處理對象是數(shù)字化的散斑圖像，散斑圖像是指一類含隨機斑點分布的圖像，散斑指圖像中的隨機斑點。散斑可以由激光照在漫反射表面干涉產(chǎn)生；也可由特殊涂料（如啞光漆等）噴涂在試件表面形成（人工散斑）；甚至某些材料表面的紋理也能直接構(gòu)成散斑（天然散斑）。后兩種散斑是圖像相關(guān)法測量中最常見的。因此，數(shù)字圖像相關(guān)法測量中散斑圖像在獲取時可直接采用白光照明。這一點克服了前面提到的以干涉為基礎(chǔ)的光測方法的缺點，也是數(shù)字圖像相關(guān)法具有更好的適應(yīng)性的直接原因。其次，數(shù)字圖像相關(guān)法歸根結(jié)

14、底是一種二維數(shù)字圖像的分析方法。該方法的測量分辨率與成像系統(tǒng)的物面分辨率（指數(shù)字圖像上1 個像素代表的實際長度）密切相關(guān)，物面分辨率高則測量分辨率高；數(shù)字圖像相關(guān)法的測量范圍取決于成像系統(tǒng)的視場范圍。因此，數(shù)字圖像相關(guān)法測量范圍和測量分辨率可以方便地進行調(diào)整。這也是數(shù)字圖像相關(guān)法對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性更好的另一個原因。此外， 數(shù)字圖像相關(guān)法實驗裝置簡單、實驗準備快，數(shù)據(jù)處理自動化程度高，這些都使數(shù)字圖像相關(guān)法更方便易用，適應(yīng)性更好。2 .三維形貌與變形測量研究現(xiàn)狀綜上所述，三維形貌與變形測量研究已取得了很大進展，部分技術(shù)已應(yīng)用于商業(yè)測量系統(tǒng)，包括數(shù)字工業(yè)近景攝影測量、條紋投影面結(jié)構(gòu)光三維形貌測量、數(shù)

15、字圖像相關(guān)法動態(tài)變形測量等。在國際上，美國斯坦福大學(xué)、美國哈佛大學(xué)、德國亞深應(yīng)用科技大學(xué)、德國IAPG 研究所、澳大利亞墨爾本大學(xué)等在三維形貌與變形測量方面均已開展了許多非常有意義的研究工作，并取得了較好的研究成果。國內(nèi)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、四川大學(xué)以及華中科技大學(xué)等也開展了廣泛的 研究，并取得了較好的階段性研究成果。數(shù)字工業(yè)近景攝影測量方面，Harris和Stephen在Moravec算子的基礎(chǔ)上發(fā)展 出 Harris 算子： Linderberg 深入地研究了如何選定一個合適的一致的尺度用于影像 上的特征提取，即特征尺度選擇的問題；張正友在角點附近利用相關(guān)窗口進行角點區(qū)域的匹配

16、驗證了角點提取也是可以用于基線較大的影像立體匹配；Torr 發(fā)展出的一個近似的方法可以用于寬基線運動匹配方法；Schmid 和 Mohr 開創(chuàng)性的采用一個目標特征與一個大的影像數(shù)據(jù)庫進行匹配從而將不變局部特征匹配用于解決一般的影像識別問題，Shokoufandeh,Marsic和Dickinson提出使用小波系數(shù)來作為特征描述子； Low 將局部特征的方法擴展到尺度不變的局部特征，構(gòu)造了一種新的局部特征描述子，對于三維視點變化造成的變形也能夠使用；Lhuillier 等提出采用四邊形分割建立局部幾何約束的方法；Boonsang提出利用影像分割獲取邊緣區(qū)域和非邊緣區(qū)域，在非邊緣區(qū)域采用連續(xù)新約束

17、的方法；2004 年 Low 提出的一種尺度不變特征的SIFT算子。結(jié)構(gòu)光三維形貌測量方面，Huang在文獻中詳細介紹了基于數(shù)字條紋投影的三 維形貌測量技術(shù)的最新進展；Sansoni在90年代初研究了用液晶投影儀數(shù)字化投影 光條來實現(xiàn)自適應(yīng)形貌測量；Hu 提出了一種DLP 數(shù)字條紋投影三維測量新方法；Kowarschik 研究了從三個不同角度投影條紋結(jié)構(gòu)光的自適應(yīng)三維測量系統(tǒng)；Frankowski提出了微鏡DMD（Ditigal Micromirror Device）數(shù)字條紋投影的實時三維 測量技術(shù)；Sugeng研究了高速數(shù)字投影條紋結(jié)構(gòu)光的實時深度信息獲取方法；Qiu研制了一種多頻譜條紋投影

18、測量儀；Li 提出了多分辨密集點測量方法等。數(shù)字圖像相關(guān)法變形測量方面，He 等首次使用數(shù)字散斑相關(guān)方法成功測量了兩維穩(wěn)態(tài)層流場；Wu 用該方法測試了柔險材料和軟組織的力學(xué)性質(zhì)；Zink、 Gonzalez等用數(shù)字圖像相關(guān)法研究了復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)；Zink 等還將數(shù)字圖像相關(guān)法應(yīng)用于木材的力學(xué)性質(zhì)研究；Sutton 發(fā)現(xiàn)了數(shù)字圖像相關(guān)法與力學(xué)變分間的關(guān)系并提出了基于位移相關(guān)的搜索方法，用于低質(zhì)量散斑圖和大位移測量。3 .三維形貌與變形測量發(fā)展趨勢及技術(shù)瓶頸通過以上分析，高速度、高精度、大尺度和復(fù)雜變形是光學(xué)三維形貌與變形測量的研究重點和難點，而這些難題正是機器視覺測量的發(fā)展趨勢。歸納起來主要有以下幾個方面：1）高精度全自動測量測量精度是測量領(lǐng)域永遠追求的目標，對于機器視覺測量系統(tǒng)來說，影響測量精度的因素包括圖像獲取、圖像處理、相機標定、立體匹配和三維重建等，其中，相機標定和三維重建算法是影響視覺測量精度的關(guān)鍵因素。因此，研究高精度視覺系統(tǒng)標定算法和三維重建算法是機器視覺領(lǐng)域的重要方向。2）大尺寸、大變形三維測量在航空、航天、汽車、輪船等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，零部件的負載變形和熱變形檢測需求隨著對于產(chǎn)品要求的提高而增多，同時對于產(chǎn)品在各個不同狀態(tài)下的形態(tài)檢測（如飛機機翼不同飛行狀態(tài)下的形態(tài)檢測）精度及效率要求越來越高，特別是大尺 寸、大變形量測量，原有方法難以滿