基于面結(jié)構(gòu)光自由曲面形面測量技術(shù)研究綜述?

靳 碩 張鐵犁 王 蕾

（北京航天計量測試技術(shù)研究所 北京 100076）

1 引言

近年來，臨近空間飛行器、可重復(fù)使用軌道飛行器等新型航天器迅速發(fā)展，其結(jié)構(gòu)件的外形特征已突破傳統(tǒng)的軸對稱結(jié)構(gòu)，往往設(shè)計為復(fù)雜非對稱曲面，基于特征點的單點測量和校準(zhǔn)無法提供足夠的數(shù)據(jù)，難以做到精確的全尺寸測量。傳統(tǒng)的點式接觸測量將無法適應(yīng)未來的發(fā)展，空間自由曲面、復(fù)雜內(nèi)形面的測量問題將成為未來幾何量測量的突出問題。

基于面結(jié)構(gòu)光的自由曲面形面測量技術(shù)是一項非接觸的主動測量方法，具有快速、全場、非接觸、高密度點云、現(xiàn)場測量、非合作目標(biāo)等諸多優(yōu)點，在逆向工程、磨具設(shè)計、工業(yè)檢測、質(zhì)量控制、文物保護、醫(yī)學(xué)成像、農(nóng)業(yè)測繪、水下探測等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，開展基于面結(jié)構(gòu)光的自由曲面形面測量研究具有十分重要的意義。

2 面結(jié)構(gòu)光測量方法

面結(jié)構(gòu)光測量方法的基本原理是將計算機生成的已知相位光柵條紋圖像（如圖1）投影到被測物表面，從與投影方向成一定角度的方向觀察，光柵條紋受到被物體表面深度不同的調(diào)制（如圖2），相位發(fā)生改變［1］。變形的光柵攜帶了物體的三維形狀的信息，通過解相和相位展開等技術(shù)，可以得出相位信息，進而利用三角法根據(jù)相位與物體空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系求出物體的三維坐標(biāo)。

圖1 投影的光柵

圖2 變形的光柵

圖3 結(jié)構(gòu)光三維測量原理

3 面結(jié)構(gòu)光自由曲面形面測量國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1.1 國外技術(shù)研究現(xiàn)狀

電子技術(shù)與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展推動著面結(jié)構(gòu)光自由曲面形面測量技術(shù)日趨成熟。越來越多的研究學(xué)者致力于采用結(jié)構(gòu)光測量法實現(xiàn)自由曲面形面的測量，從多種形式的結(jié)構(gòu)光測量發(fā)展到運用編碼、彩色、多頻、外差式等結(jié)構(gòu)光測量方法，并引入相位輪廓測量和傅里葉變換測量技術(shù)與多投射點投射、多方位測量的方法，能夠?qū)Υ蠓秶?fù)雜面形，快速精確地進行測量。

1983年，M.Takeda與K.Mutoh最早嘗試將傅里葉變換引入光柵圖像處理中［2］。1984年，V.Sriniva?san 與 H.C.Liu［3］、Dr.Breuckmann［4］將相移法用于光柵投影技術(shù)中，為光柵投影法的發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，M.Takeda與K.Mutoh成為了光柵投影法的發(fā)奠基人。此后，基于光柵投影法的光學(xué)三維測量技術(shù)向著高精度、高效率、實用化的方向迅速發(fā)展。

在20世紀(jì)九十年代，Dr.Steinbichler［5］、Dr.Wolf［6］及德國Technical University of Braunschweig的Rein?hold Ritter教授，分別成立了Steinbichler GmbH、Wolf GmbH和GOM GmbH，并相繼推出了多款結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)，如：Steinbichler GmbH的C0MET5型結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，GOM GmbH的Atos-II型結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)等。

2001年德國斯圖加特大學(xué)Jens Gühring等［7］提出了一種編碼方式的結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由黑白相機及投影儀組成，采用線性變換的處理方法，有效地解決了傳統(tǒng)相變處理時受到限制的問題。

2002年，美國華盛頓大學(xué)Li Zhang等［8］提出了一種彩色結(jié)構(gòu)光技術(shù)，通過投射一種基于De.Bruijn編碼序列的彩色條紋，并實現(xiàn)其邊界匹配，用于從單幅或多幅圖像中恢復(fù)物體的三維面形。

2005年，加拿大滑鐵盧大學(xué)WongAndrewK.C.等［9］提出一種分等級的編碼圖案測量方法，該種編碼圖案由高亮度圓點、柵格線和內(nèi)部灰度呈梯形變化的紋理的柵格構(gòu)成，只需要投影一幅圖案就可實現(xiàn)對目標(biāo)的測量。該方法的缺點不適宜測量外部特征變化劇烈的物體。

2007年，美國加利福尼亞大學(xué)Young.M等［10］提出一種基于視點編碼的三維測量方法。該方法將設(shè)定高頻的黑白條紋圖案投影至被測物體表面，并用多個相機從不同位置同時采集投影的圖案信息，將時域編碼轉(zhuǎn)變?yōu)榛谝朁c編碼實現(xiàn)的條紋匹配，克服了測量系統(tǒng)對時間和空間連續(xù)性的限制。但該方法的缺點是系統(tǒng)實現(xiàn)過程繁瑣，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2012年，Sandro Barone，Alessandro Paoli［11］等提出通過結(jié)構(gòu)光立體成像，結(jié)合灰度算法對被測目標(biāo)進行局部精確三維測量的方法，使被測目標(biāo)與參考坐標(biāo)進行自動匹配測量，這種方法的缺點是受到幾何條件的制約。

2015年，德國馬格德堡大學(xué)教授Erik Lilien?blum 和 Ayoub Al-Hamadi［12］將線掃描相機與結(jié)構(gòu)光相結(jié)合，改進了線光源光強密度來產(chǎn)生不同光模式序列，通過時間相關(guān)性和相移特性實現(xiàn)光條紋編碼，完成光模式與相機捕獲線的同步轉(zhuǎn)換，增加了系統(tǒng)的伸縮性，使其能夠持續(xù)快速工作，為傳送帶上零件內(nèi)部質(zhì)量檢查提供了新的思路。

3.1.2 國內(nèi)技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國在該領(lǐng)域的研究開展較晚，但針對面結(jié)構(gòu)光的自由曲面形面測量技術(shù)也在不斷追趕國際先進水平，業(yè)已取得了豐碩的成果。

1989年，四川大學(xué)的蘇顯渝［13］等研制出基于激光結(jié)構(gòu)光的三維面形測量系統(tǒng)；1993年，四川大學(xué)和西南石油學(xué)院采用Ronchi光柵離焦投影進行相位測量，成功研制了用于井底探測的三維外形測量系統(tǒng)［14］。

2003年，中科院沈陽自動化所劉偉軍等［15］提出了一種單目測量方法，利用狹縫式結(jié)構(gòu)光并結(jié)合回轉(zhuǎn)機構(gòu)和測頭的移動機構(gòu)，來獲取復(fù)雜曲面物體的三維信息。采用Screw理論應(yīng)用于多視角測量數(shù)據(jù)融合中，并使用最小二乘優(yōu)化法優(yōu)化坐標(biāo)系參數(shù)的求取，降低了計算的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性。實驗證明該方法的測量精度可達0.1mm。

2010年，大連理工大學(xué)薛信慶［16］構(gòu)造了一套采用排列組合方式形成的彩色空間編碼方案，將四根彩色條紋組成一個組合，可以允許在同一個組合中不相鄰的條紋相同顏色的重復(fù)，這樣在測量面積相同的被測物體時，可以減少編碼時所需顏色的種類，克服了解碼過程中顏色識別的困難。

2012年，霍金城，吳慶陽［17］等提出一種部分編碼結(jié)構(gòu)光三維面形測量方法，將相位展開與條紋編碼相結(jié)合，先整合條紋再進行相位展開，較大程度減少重建所需條紋幅數(shù)，具有良好的精度和可靠性。

2013年，上海交通大學(xué)張鑫［18］等提出一種隨機編碼結(jié)構(gòu)光投影的雙目立體視覺快速三維測量技術(shù)，僅需一次拍攝即可快速輸出大量三維點云數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)測量，具有較高的測量精度以及較好的魯棒性。

2015年，趙必玉［19］首次將曲波變換的圖像去噪方法用于面結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)并提出一種任意擺放的面結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)及相應(yīng)的系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)，提高了系統(tǒng)的測量精度。

2017年，林輝［20］提出了一種快速、魯棒、高空間分辨率的結(jié)構(gòu)光圖案編碼方法。該方法采用基于格雷碼的線移法生成正反黑白條紋圖案，在圖案解碼時，對采集的條紋圖像邊緣的非線性輪廓做線性插值，通過求解交點得到亞像素精度的邊緣坐標(biāo)，由此達到較高的空間分辨率。

2018年，白宏運［21］提出了一種基于被測物體表面幾何特征的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)光空間編碼算法，能針對特定的被測物體實現(xiàn)高分辨率編碼，同時提出了一種基于色彩遷移技術(shù)的彩色結(jié)構(gòu)光解碼算法，該解碼算法以編碼圖案的色彩分布作為先驗知識，用色彩遷移的方法對相機捕獲的結(jié)構(gòu)光圖像進行增強和去光照處理，還原結(jié)構(gòu)光圖像條紋的顏色信息。

3.2 國內(nèi)外儀器設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

3.2.1 國外儀器設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

面結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)的研究和應(yīng)用在國外開展較早，技術(shù)也都比較成熟。此項技術(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

德國Gom公司開發(fā)的Atos系列流動光學(xué)三維測量系統(tǒng)［22］代表著國際先進水平。ATOS Core產(chǎn)品如圖4所示。測量點距0.02mm，測量范圍45mm×30mm至500mm×380mm，該系統(tǒng)使用參考點拼合技術(shù)，并結(jié)合先進的CCD相機定位技術(shù)，在測量過程中自動拼合，既消除了累積誤差，又減少了后續(xù)拼合工作，大大提高大型件的掃描精度和速度。

圖4 德國GOM公司ATOS Core

德國Carl Zeiss光電技術(shù)有限公司開發(fā)的Com?et系列三維數(shù)字化掃描系統(tǒng)［23］，COMET6結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)如圖6所示，該系列掃描系統(tǒng)的測量范圍81mm×54mm×40mm至1235mm×823mm×600mm，最小點間距為16μm，最快測量速度小于1s。

圖5 COMET6結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)

3.2.2 國內(nèi)儀器設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)的面結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)研究起步相對較晚，目前還處于成長階段，北京天遠三維、北京博維恒信科技等公司推出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，但測量精度相對落后于國外產(chǎn)品。

北京天遠三維科技有限公司［24］與清華大學(xué)相關(guān)課題組密切合作，推出的OKIO-5M三維掃描儀，測量范圍100mm×75mm至400mm×300mm，平均點距0.04mm，掃描速度小于1.5秒，最高測量精度0.005mm。

圖6 OKIO-5M型三維掃描儀

北京博維恒信科技發(fā)展有限公司［25］開發(fā)了3D CaMega CP-300便攜式三維掃描儀，測量范圍200mm×160mm至1200mm×960mm，單面掃描速度小于1s，最高測量精度0.02mm。

圖7 3D CaMega CP-300便攜式三維掃描儀

4 結(jié)語

從以上研究可以看出，國外結(jié)構(gòu)光自由曲面形面測量技術(shù)的研究由于起步較早，已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，并將其廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光三維測量的商品化，在測量精度和測量速度方面均達到了較高水平。我國雖然也正在不斷開發(fā)商品化的面結(jié)構(gòu)光自由曲面形面測量系統(tǒng)，但由于起步較晚，測量技術(shù)較為薄弱，且產(chǎn)品相對較少，整體水平較國外還比較落后，尤其是在測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面。因此，面結(jié)構(gòu)光自由曲面形面測量技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品中的創(chuàng)新設(shè)計及廣泛應(yīng)用還需進一步的努力和更加深入的研究。