光学三维测量技术与应用

【摘要】随着科学技术的发展，光学三维测量技术逐渐被应用到各个领域中去，特别是航空航 天领域得到了广泛的应用。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，也是一种可视化高新技术，它能独自的完成复杂形体的点、面、形，同时也能实现非接触测量。本文主要对光学三维测量技术与应用进行了探究和分析，首先对三维测量技术进行了详细的介绍，然后对常用的光学三维测量的基本原理进行了分析，最后对光学三维测量技术应用进行了探究。

【关键词】光学、三维测量技术、应用

一、前言

自从改革开放以来，我国的经济和科学技术在不断的发展，光学三维测量技术由于具有非接触、快速测量以及精度高的优点，所以在机械、汽车、航空航天以及服装等领域得到了广泛的应用，同时光学三维测量数据通过简单的处理就可以使用了，无需复杂的数据后处，这样就给各个领域的实际工作带来了很大的方便。此外，光学三维测量技术是可视化的高新技术，可以用于对物体空间外形和结构进行扫描，这样就可以得到物体的三维轮廓，从而获得物体表面点的三维空间坐标。

二、三维测量技术

三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。

1、接触式测量

物体三维接触式测量的典型代表是三坐标测量机。它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括：灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；测量精度高且可靠；可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能化程度。缺点是测量速度慢，对环境要求较高。

2、非接触测量法

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。常用的非接触式三维测量波谱：微波适合于大尺度三维测量领域，采用三角测量原理或者利用飞行时间法获取物体的三维信息。由于微波波长较长，衍射形成的爱里斑半径较大，角度分辨率低，不能满足工业制造技术的要求，常用于航空航天领域。超声波受到波长的限制，分辨率也不高 ，但由于可以穿透介质，可以实现零件材料内部的三维无损检测探伤，在工业检测领域得到广泛的应用，但由于需要耦合介质，限制超声探伤的应用范围。与微波和超声波相比，光波波长短，在300nm（紫外）到 3um （红外）范围内的光学三维传感器的角度分辨率和深度分辨率 比微波和超声波高10到10数量级，主要通过三角法或者飞行时间法获得物体的深度信息，在三维测量领域运用的最多。

三、常用的光学三维测量基本原理

常用的光学三维测量基本原理有3种：飞行时间法、干涉法和三角法。

飞行时间法：飞行时间法是基于三维面形对结构光束产生的时间调制，一般采用激光 ，通过测量光波的飞行时间来获得距离信息 ，结合附加的扫描装置使光脉冲扫描整个待测对象就可以得到三维数据 。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，要得到高的测量精度，测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。

干涉法 ：干涉测量是将一束相干光通过分光系统分成测量光和参考光，利用测量光波与参考光波的相干叠加来确定两束光之间的相位差，从而获得物体表面的深度信息。这种方法测量精度高，但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表面的形貌和微小位移，不适于大尺度物体的检测。

光学三角测量法：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。双目视觉是典型的被动三维测量技术，它的优点在于其适应性强，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息，缺点是需要大量的相关匹配运算以及较为复杂的空间几何参数的校准等问题，测量精度低，计算量较大，不适于精密计量，常用于三维目标的识别、理解以及位形分析等场合，在航空领域应用较多。

四、光学三维测量技术应用

光学三维形状测量技术的应用范围很广，从传统的制造业到新兴的三维动画产业和虚拟现实领域等。限于篇幅，下面仅对三维激光扫描技术在航空航天方面的应用作简单介绍。

1、服装制作

传统的服装制作都是按照标准尺寸批量生产的。随着生活水平的提高 ，人们开始越来越多地追求个性化服装设计，量体裁衣。三维扫描仪可以快速地 测得人体的外形尺寸 ，获得其立体彩 色模型，把这些数据与服装 CAD技术结合 ，可以在计算机中的数字化人体模型上，按每个人的具体尺寸进行服装设计 ，设计 出最合适的服装，并可以直接在计算机上观看最终的着装效果。整个过程速度快、效果好。美国Armstrong实验室将Cyberware的三维扫描仪用于为高级战斗机飞行员设计服装。

2、航天飞机外形检测

为航天器发射安全，美国特制定防止发射时热防护系统被破坏的研究计划。发现者号携带一种新的外部检测系统，该系统能检测出宇航飞机外壳热防护面小于毫米尺寸的破坏点。这种外部检测系统是由加拿大Neptec公司研制的三维激光扫描仪，它采用 1500nm 的激光，不受光照条件变化的影响，工作不受昼夜限制。

3、地形地貌测量

航空三维激光扫描技术可以用于地面的航空遥感定位和影像获取，还可实时得到地表大范围内目标点的三维坐标 ，同时，它也是 目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。迄今为止，航空三维激光扫描技术主要用于：测制带状目标图如道路、铙路线、管道及水道附近的地貌；测制输电线和电线杆图；生成林区 DTM ；海岸区测图，包括沙丘和潮湿洼地，还可监测海岸变化及漫蚀情况；高精度及高测量密度的测图应用，如洪涝区测图，生成矿物采区 DTM 和开采立方计算及道路建模；生成市区DTM和DSM，自动提取建筑物；生成无线电远程通信中继线位置设计的3D城市模型和城市规划；自然灾害监测，如台风、地震和滑坡；测制冰雪覆盖图，包括冰川监测、湿地测量 ；推算植被参数，如树高、树冠直径、树木密度，估算生物量及森林边界测定；测量水深。此外，ALS还可用于陆地景观设计、电影三维模型生成、视频和计算机游戏的生产、计算机动画、建筑物和工程项目设计、3D模型模拟、可视化、植被生态监测及雪崩危害估测等。

五、结束语

综上所述，本文主要对光学三维测量技术与应用进行了探究和分析，由于光学三维测量技术的主要特点是实时性、主动性、适应性好，并且不需要和被测物体接触，这样就可以在比较复杂的环境下应用，同时具有很多传统摄影测量方法不能取代的优越性，这样在很多领域就得到了更加深入和广泛的应用。从目前的形势来看，我国在这方面的技术比较薄弱，而国外成熟产品只能用于民用，因此，我国可以借鉴国外的先进技术进行开发研究，研发出适合我国的光学三维测量技术，这样就可以促进我国科技的进步，从而保证国家的经济建设和国防建设。

参考文献：

[1]郑团结，缪剑等.基于机载三维激光扫描的实时一体化摄影测量及数据处理，测绘科学，2007，32（1）：64～66

[2] 曹剑清；数字摄影测量[M]；武汉；武汉测绘科技大学出版社；2009：34-35.

[3] 李中伟.基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究[D].武汉：华中科技大学，2009.