三維掃描技術

隨著信息和通信技術的發展,人們在生活和工作中接觸到越來越多的圖形圖像。獲取圖像的方法包括使用各種攝像機、照相機、掃描儀等,利用這些手段通常只能得到物體的平面圖像,即物體的二維信息。在許多領域,如機器視覺、面形檢測、實物仿形、自動加工、產品質量控制、生物醫學等,物體的三維信息是必不可少的。因此,如何獲取物體的三維信息,即三維物體面形輪廓測量得以發展。隨著計算機技術、光電子技術的迅速發展,新的光學三維掃描技術和計量方法也不斷涌現。 

常用的三維掃描技術根據傳感方式的不同,分為接觸式和非接觸式兩種。 接觸式的采用探測頭直接接觸物體表面,通過探測頭反饋回來的光電信號轉換為數字面形信息,從而實現對物體面形的掃描和測量,包括三坐標測量機法和電磁數字法。三坐標測量法是現在最通用的測量方式之一。 接觸式測量具有較高的準確性和可靠性、配合測量軟件,可快速準確地測量出物體的基本幾何形狀,如面,圓,圓柱,圓錐,圓球等。其缺點是:測量費用較高、探頭易磨損、測量速度慢、檢測一些內部元件有先天的限制,故欲求得物體真實外形則需要對探頭半徑進行補償,因此可能會導致修正誤差的問題;接觸探頭在測量時,接觸探頭的力將使探頭尖端部分與被測件之間發生局部變形而影響測量值的實際讀數;由于探頭觸發機構的慣性及時間延遲而使探頭產生超越現象,趨近速度會產生動態誤差。 隨著計算機機器視覺這一新興學科的興起和發展,用非接觸的光電方法對曲面的三維形貌進行快速測量已成為大趨勢。這種非接觸式測量不僅避免了接觸測量中需要對測頭半徑加以補償所帶來的麻煩,而且可以實現對各類表面進行高速三維掃描。

目前,非接觸式三維測量方法很多,常用的有:激光掃描測量、結構光掃描測量和工業CT等。大體上可以分為以下兩大類,一類是二維分析法,包括遮擋陰影法、莫爾條紋法、聚焦法,光度法等;另一類是三維模型法,包括飛行時間距離探測法、被動三角法和主動三角法。下面介紹幾種常用的基于三角測量法的三維掃描技術:點激光測量技術: 通過激光發射單點到物體表面,采用傳感器在另外一側觀測,通過每一次的測量點反映物體的三維信息。其特點是精度較高,但測量速度慢,用于檢測相比三坐標系統要快。線激光掃描技術:通過激光發射一條光線(稱為光刀)到物體表面,采用傳感器在另外一側觀測變形的光刀,通過解調光刀變形還原物體的三維信息。相比點激光掃描技術,其掃描速度大大的提高了,但也要附加運動系統才能得到完整的三維物體面形表示。該測量方法同樣具有精度較高的特征,代表系統有三維激光掃描儀,手持式掃描儀、可移動大空間激光掃描等。面掃描技術:該類技術發展成熟的主要是結構光掃描,采用發射系統發射面光(面激光或者條紋),采用傳感器在另外一側觀測變形條紋,結合相位技術及計算機視覺技術解調變形條紋并還原物體的三維信息。該種技術近來得到極大的發展,能夠迅速的獲取物體表面的面形信息,同時具有很高的測量精度,對測量環境低,應用于三維掃描具有很大的優勢,代表系統有照相式三維掃描儀。

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