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三维测量综述.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.16M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    书书书激光与光电子学进展５４，０７０００３（２０１７）Ｌａｓｅｒ　＆Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ○Ｃ２０１７《中国激光》杂志社非接触式三维重建测量方法综述丁少闻１，２，张小虎１，２，于起峰１，２，杨　夏１，２１国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙４１００７３；２国防科学技术大学图像测量与视觉导航湖南省重点实验室，湖南长沙４１００７３摘要　三维重建是目前发展最迅速、应用最广泛的技术之一。从广义角度出发，任何获取目标三维信息的手段都可被称为三维重建。利用三维重建数据可对目标的三维参数进行测量。目前基于三维重建的测量方法众多，由于接触式测量存在诸多问题，如何依据不同的实际需求和条件选择合适的非接触式测量方法，是获得所需三维测量数据的关键。从原理分析出发，对各种非接触式重建测量方法进行系统分类。在实际测量任务中可依据精度需求、环境约束、参数种类、成本控制等因素选择合适的非接触式三维重建测量方法。关键词　图像处理；广义三维重建；非接触式三维重建测量中图分类号　ＴＮ９１１．７４　　　文献标识码　Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５４．０７０００３Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｎｏｎ－Ｃｏｎｔａｃｔ　３ＤＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ＭｅｔｈｏｄｓＤｉｎｇ　Ｓｈａｏｗｅｎ１，２，Ｚｈａｎｇ　Ｘｉａｏｈｕ１，２，Ｙｕ　Ｑｉｆｅｎｇ１，２，Ｙａｎｇ　Ｘｉａ１，２１　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１００７３，Ｃｈｉｎａ；２　Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｍａｇｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｖｉｓｉｏｎ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＤｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１００７３，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ（３Ｄ）ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｆｒｏｍ　ａ　ｂｒｏａｄ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ，ａｎｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｏｂｔａｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔ′ｓ　３Ｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃａｌｌｅｄ　ｔｈｅ　３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　３Ｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍａｎｙｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ．Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｈｏｗ　ｔｏ　ｃｈｏｏｓｅ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　３Ｄｄａｔａ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ａ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｈｏｓｅｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔａｓｋ　ｏｆ　ａｃｔｕａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｄｅｍａｎｄ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｔｙｐｅｓ，ｃｏｓｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＯＣＩＳ　ｃｏｄｅｓ　１００．３０１０；２００．４７４０；２００．３０５０；２００．４５６０　　收稿日期：２０１６－１１－２５；收到修改稿日期：２０１７－０２－１９作者简介：丁少闻（１９８９—），男，博士研究生，主要从事图像测量与视觉重建方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｓｗｅｎ０６１１＠１２６．ｃｏｍ导师简介：张小虎（１９７３—），男，研究员，博士生导师，主要从事图像测量、运动目标检测与跟踪方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｘｈ１３０２＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ１　引　　言通常人们所接触的世界是三维的，相比距离、角度等一维、二维数据对世界的管窥蠡测，三维数据更贴近于实际，可以更完整地描述待测物体。目前，三维数据已广泛应用于测量、虚拟现实等多种领域，是认识环境、感知世界的重要工具。三维数据需要通过三维重建技术获得。广义三维重建是指通过测量工具与解算方法，获取目标局部点０７０００３－１
    ５４，０７０００３（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ三维坐标、面三维结构乃至整体三维模型；狭义三维重建指通过重建技术，获取包括结构、纹理、尺度等的目标完整三维信息，其是广义三维重建的最高形式。获取三维数据后，对目标进行各类测量是其最重要的应用之一，即三维重建测量。大型工件的尺寸参数、结构信息，地形的高程信息等，都可通过三维数据获取。相比利用传统测量工具和方法对这些待测信息逐一进行测量，通过重建获取目标三维数据，再根据实际需要解算、提取所需信息要更加便捷与可靠。通过测量工具探头接触表面获取目标三维结构，是最直观最容易实现的三维重建测量方法。典型的接触式三维重建测量工具是三坐标测量机［１］。其将一个结构测量探针安装在三自由度乃至更多自由度的伺服装置上，驱动探针沿各个方向移动，当探针碰到物体表面时，通过比较该触碰点与基准点间的机械移动量，就可以获取这一点的空间位置。控制探针在物体表面移动，即可获得目标表面结构。接触式测量的优点是测量精度高，适合精密测量小型工件三维结构参数。三坐标测量机目前仍然是工厂的标准立体测量装备，高精度三坐标测量机的精度可以达到纳米级［２］。但接触式测量也存在以下各种缺点：受测量工具和待测目标形状制约，测量区域有限，难以测量大尺寸和特殊形状工件，同时需要补偿测头半径带来的误差；需接触待测目标，易划伤表面；测量速度慢，效率低；测量非刚体可能因接触使表面变形，导致测量数据不准。由于接触式测量存在上述问题，随着技术的进步和工程实际需求的牵引，基于各种技术原理的非接触式三维重建测量方法不断出现和发展，满足了各类测量需求［３－４］。非接触式三维重建测量是指在不接触待测目标的前提下，获得目标三维空间结构并进行测量的方法。结合待测目标结构特征、测量环境、精度要求、成本控制等多种因素，选择合适的方法进行重建与测量是解决实际问题的难点与关键。因此，覆盖方法全面、分类系统合理的综述性文献对于非接触式三维重建测量方法的选择具有重要的指导意义。本文将从原理分析出发，对目前主流的非接触式三维重建测量技术进行全面归纳和比较，分析各类方法分别适用的测量场合和影响精度的因素，并给出提高精度的方法和研究方向，以达到为不同的工程测量需求提供建议的目的。根据测量信号源的不同，非接触式测量可以分为主动式和被动式两种情况。主动式测量通过向被测物体发射可控制信号并接收和分析返回信号，计算被测物体表面各点相对信号源的空间位置进而完成测量。被动式测量则不主动发出测量信号，利用环境光源直接拍摄待测物体图像，通过图像分析获得目标表面三维数据。下面分别对两类测量方法中的不同类型依次进行介绍、分析和比较。２　主动式测量主动式测量是指向待测目标发射可控制信号，通过发射信号与返回信号的分析比较，获得待测场景或物体表面各点的深度信息，进而利用获得的三维信息进行建模和测量。发射的可控制信号可以是可见光、激光，甚至电磁波、声波等。同种信号源也有多种测量方法，从方法原理出发，可将主动式测量分为基于激光测距、基于结构光和基于干涉信号等类型。以上几类方法是最常用的主动式三维重建测量类型，其信号源大多为激光或可见光，此外还有通过发射和接收电磁波成像、利用超声波成像、利用物体对Ｘ射线吸收的计算机断层扫描（ＣＴ）等特殊信号测量方法。２．１　基于激光测距测量法在进行深度信息测量时，最直观且易实现的方法就是激光测距，结合伺服系统，即可实现待测场景或物体的三维表面重建与测量。使用激光作为主动光源是因为相比其他信号源，激光光源强度更高，可收束可调制，便于测距。常用的激光测距方法有激光对焦法、飞行时间法（ＴＯＦ）、相位调制法。２．１．１　激光对焦法激光对焦法由信号发射器将激光束打向被测物体表面，当激光束在表面移动时，通过控制与信号发生器固连的伺服装置，使激光束在待测物体表面始终保持同一收束（聚焦）状态，从而保证激光发射器与物面激光点始终保持同一距离，由伺服装置位移量即可计算获得物体表面起伏信息。Ａｋｕｔａ等［５］研制的一种基于激光对焦法的三维形状测量系统，在５００ｍｍ范围内测量精度可达±４μｍ。激光对焦法测量系统出现时间较早，其是对传统接触式三坐标测量机的一种改进。由其原理可知，其测量的是深度变化信息，可以理解为将测量头更换为激光聚焦头的三坐标测量机，以此避免可能接触目标的问０７０００３－２
    ５４，０７０００３（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ题。正因如此，如何控制激光在物面移动时保持同一收束状态是激光对焦法的研究关键点。该方法测量耗时较长，同时受伺服装置活动范围限制，不适合进行场景三维重建，但在局部表面重建与精细测量上，具有很高的精度，因此适合解决小型结构如文物、机械部件等的三维数据高精度测量的问题。２．１．２　飞行时间法飞行时间法是一种原理简单、应用非常广泛的深度测量方法［６］。由于光的传播速度恒定，获取传播时间即可计算得到传播距离。飞行时间法基本原理如图１所示，信号发射单元向被测物体发射激光脉冲，经表面反射后被测量系统的传感器接收，计算激光脉冲发射与接收的时间间隔，即可获得物体表面相对信号发射单元的深度信息。图１飞行时间法原理示意图Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ＴＯＦ飞行时间法的主要优点是不需要图像处理环节，处理速度快，可实现实时测量；其原理简单，测量系统稳定可靠。同时，相比三坐标测量机，其具备更大的测量范围，一般在５～１０ｍ左右。德国Ｂａｓｌｅｒ公司生产的飞行时间法工业相机，有效测量范围可达１３ｍ，其只需一次拍摄，即可获得待测物体或场景的三维数据，但精度只能达到１ｃｍ。由于测量范围大，飞行时间法适用于场景重建测量与环境感知，基于飞行时间法的深度信息传感器已大量投产并广泛应用于多个领域。以主流飞行时间法传感器厂商为例，ＭＥＳＡ主要面向科研用途；ＰＭＤ的飞行时间法传感器在户内、户外均能使用，适用于科研、工业等各种场合；而Ｏｐｔｒｉｍａ、微软的相机主要面向娱乐应用，目前常见的第二代Ｋｉｎｅｃｔ相机使用的即为飞行时间法技术。鉴于飞行时间法在深度测量上的实时稳健特性，目前其已成为无人机避障领域的核心技术之一，即通过飞行时间法建立障碍物表面三维形貌并测量相对距离，制定相应的避障策略。代表性的有零度公司在国际消费类电子产品展览会（ＣＥＳ）２０１６上发布的无人机ｘｐｌｏｒｅｒ　２，采用的便是飞行时间法测距方案。飞行时间法的缺点在于系统易受环境光源影响，在室外使用需要更高的改进成本，同时分辨率比较低，最优在毫米级。可以看出，时间间隔的测量是该方法测量精度的主要决定因素，改进起止脉冲的识别及优化信号接收通道的带宽参数可以提高飞行时间法的精度［７］。２．１．３　相位调制法相位调制法［８］是对飞行时间法在提高测量精度方面的一种改进。其测量系统原理与飞行时间法类似，但在测距过程中结合了相位检测。激光束幅度被正弦调制，通过比较发射光束和接收光束之间的相位可计算出雷达与目标之间的距离。若激光束只使用一个频率，则当相位差超过２π时，测量结果存在多解性，因此为保证有效的测量范围，相位调制法在实际测距中采用多个调制频率。相比于飞行时间法，相位调制法要复杂一些，但其有效地减少了带宽提高了精度，适合构建小范围高精度的三维测量系统，连续测量精度可达纳米级［９］。其主要问题是抗环境干扰能力差，因此若要提高测量系统精度，需对信噪比与频漂进行控制，在如何选择合适调制频率以及接收功率等方向上继续展开研究。基于激光测距的三维重建测量方法原理简单，方法稳健，测量系统成本较低，在三维重建测量领域占有一席之地，主要面向的是待测空间点数量不多的测量任务。但其都是单点连续测量，在不降低测量精度的前０７０００３－３
    ５４，０７０００３（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ提下提高测量效率难度较大。随着结构光三维重建的不断发展，高效的全场三维主动测量成为可能。２．２　基于结构光测量法结构光法是一种基于三角测量技术［１０］的三维结构测量法。结构光系统如图２所示，其采用了外界人为、指定分布的照明光，在物体表面形成光场，结合三角测距原理将光场信息解算为深度信息，从而获得物体表面三维结构。图２结构光系统Ｆｉｇ．２Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　ｌｉｇｈｔ结构光法依据实现原理可以分为直接三角法和光栅相位法。直接三角法单纯利用三角测量原理计算空间点深度，而光栅相位法虽然在计算深度时同样使用三角法，但其核心在于光场相位的解算。２．２．１　直接三角法直接三角法基本原理是：由结构光投射器向待测物体表面投射可控制的光结构形成特征点，由电荷耦合器件（ＣＣＤ）摄像机对物面进行拍摄，标定得到投射器及相机的位置、姿态等参数，利用三角测量原理交会计算特征点深度信息。三角测量原理如图３所示，相机坐标系Ｏ－ＸＹＺ的Ｙ轴垂直纸面向内，向待测物面表面某点Ｐ方向投射光线，投射角可以通过外参数标定获取，像点位置ｐ在图像上提取，结合相机内参数标定结果，即可交会获得Ｐ在相机坐标系下的三维坐标。图３三角法原理示意图Ｆｉｇ．３Ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ｔｒｉａｎｇｌｅ　ｍｅｔｈｏｄ直接三角法运算量小，测量系统便携，成本低，便于安装和维护，被广泛应用于工业级三维测量中。但是该方法测量精度受特征提取精度的约束，测量精度与速度难以同时得到提高；与所有光学非接触三维测量一样，存在遮挡问题；同时，受环境光源影响较大，一些形态的结构光的光强随测量距离的增大迅速衰减。根据结构光形态，可将直接三角法分为光点式、光条式、光面式［１１］。１）光点式光点式结构光法是由结构光投射器在物体表面投射一个光点，结合ＣＣＤ相机或者其他光敏器件测出该０７０００３－４
    ５４，０７０００３（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ光点深度信息。若需要整个物面的表面信息，再分别沿水平和竖直方向进行逐点扫描。光点式结构光法原理简单，常用的是单点单三角式。该方法精度可达毫米以内，有效测量范围１ｍ左右。测量精度主要受结构光投射器及相机标定精度和提点精度的约束。若增加相机（多三角式）或改进特征提取方法，精度可以进一步提高，测量范围也可扩大。Ｙｏｓｈｉｄａ等［１２］研制的激光测距系统，由单激光束投射器和偶数个相机组成，在５ｍ测量范围内，测量相对误差为２％。郭红卫等［１１］采用单点双三角式，在１７００ｍｍ×１２００ｍｍ×２００ｍｍ的范围内，测量精度优于１ｍｍ。Ｂａｋｏｓ建立的光点式结构光扫描测量系统，结合轮廓法进行特征提取，５００ｍｍ内测量精度为±０．１ｍｍ［１１］。各类结构光法都会受到环境光干扰，但由于光点式结构光法原理简单，因此相比而言在应对环境光干扰时，具备更大的改进空间和更多的应对策略。Ｓｈｉｎｉｃｈｉ　Ｔａｍｕｒａ在标定激光投射器和相机时，引入电流计和迭代搜索法，并对误差模型进行分析，其搭建的光点式测量系统，在户外也可正常进行测量，在１ｍ范围内，相对误差小于２％［１２］。若利用光点式结构光法进行单点测量，可具备实时性，如机器人手眼激光测距。若需要测面结构信息，则计算量随待扫描表面积的增大而急剧增加，造成扫描时间过长，因此，在进行大范围物面重建与测量时，可以采用更高效的结构光形式，如光条式和光面式。２）光条式光条式结构光法又称为光切法，其基本原理也是三角测量法。使用的结构光源为线光源，沿光条垂线方向移动从而对待测物面进行扫描，相比光点式结构光法，扫描维度降为一维，减少了拍摄图像数量和处理时间。准确提取光条中心线是确保光条式结构光法精度的关键，需要根据实际成像环境，选择合适的增强、平滑、滤波、分割等图像处理方法，制定快速、精确的中心线定位策略。为了在图像上提出完整的光条中心线，断线修补是必须考虑的一个环节。此外，标定精度、线匹配策略、多次扫描后的点云配准与拼接也是影响测量精度的重要因素［１３］。常规的光条式结构光法的精度与光点式在一个量级，Ｔｓｕｇｉｔｏ　Ｍａｒｕｙａｍａ在改进光条匹配方法基础上设计的多光条测量系统，在１００ｍｍ范围内精度优于０．２ｍｍ，５００ｍｍ范围内测量精度优于１ｍｍ。Ａｒａｋｉ等［１４］利用转镜移动光条进行扫描，其测量系统６００ｍｍ范围内相对误差为±０．３％。刘斌等［１５］建立了适用的直接线性变换（ＤＬＴ）改进数学模型，研制了基于线结构光的微小直径高精度测量系统，测量精度可达±１．６μｍ。光条式结构光法还被应用于机器人视觉引导定位，以线结构光自动扫描的方式，获取目标对象在相机坐标系下的三维位姿以实现定位，其定位精度、灵活性和稳定性均可满足目前工业现场的应用要求［１６－１７］。３）光面式虽然光条式结构光法提高了表面重建效率，但依然还需要扫描这一过程，为进一步提高效率，引入面结构光。光面式结构光法又称为编码图样投影法，其对同一片待测区域投射面结构光，只需一次采图，在投射器和相机标定基础上，进行面结构光的匹配和利用三角测量法进行深度信息解算。常见的面结构光有光栅式、网格式等编码形式。面结构光法执行效率高，适合小型物体的快速三维建模与测量，如人脸的三维信息采集。其精度同样由标定精度、匹配精度等因素制约。相比其他两种直接三角法结构光测量，光面式结构光更加复杂，匹配难度更大，提高特征定位精度和匹配正确率，是该方法的主要发展方向。Ｙｅｅ等［１８］对结构光编码方式进行改进，使其具备容错机能，测量系统平均误差为０．４８８ｍｍ。Ｃｏｍｍｅａｎ等［１９］等采用圆环编码光，引入多视传感器，对头像模型进行环拍测量，在３３０ｍｍ范围内的测量精度优于０．２５ｍｍ。Ｉｔｏ等［２０］提出了编码光面三层检测模式，并对标定方法进行了改进，在８００ｍｍ范围内相对测量误差为０．２％。２．２．２　光栅相位法直接三角法系统稳定测量结果可靠，但测量范围小不适合做全场测量。若需进行全场测量可使用光栅相位法。光栅相位法又称为相位三维测量轮廓术［２１－２７］，其也使用了光栅作为投影结构光，但与直接三角法中的光面式结构光法不同的是，其并不是通过特征提取、匹配和三角测量获得表面深度信息，而是由投射到被测物体表面的条纹图像解调出包含深度信息的相位变化场，进而根据相位与物面深度的关系求解物面深度分布。根据相位检测方法的不同，可以将光栅相位法分为叠栅法、移相法、变换法。０７０００３－５
    ５４，０７０００３（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ１）叠栅法叠栅法出现时间较早，其使光源透过基准光栅Ｘ照射在待测物体表面，形成由物面调制的像栅，再在观察点处透过光栅Ｙ获取像栅与光栅Ｙ的叠加条纹，即叠栅图样。若光源点Ｓ与观察点Ｒ的连线与光栅平行，则叠栅图样上每一条纹Ｎｉ对应的深度ｈｉ都可计算求得，由此即可获得物体的等高线图，进而推算得到物体表面轮廓信息。如果Ｘ和Ｙ为同一块光栅，则称之为照射型叠栅法，其原理如图４所示。图４照射型叠栅法示意图Ｆｉｇ．４Ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｍｏｉｒｅ　ｍｅｔｈｏｄ照射型叠栅法原理简单，但由于投射光栅Ｘ和观察光栅Ｙ为同一块光栅，测量范围受光栅大小约束，因此该方法不适合大尺寸物体的测量，为此引入投影型叠栅法。其差别在于在观察点处使用另一块光栅，这样便增大了测量范围。以上两种传统叠栅法的缺点是只能测量整数级相位，为此又由投影叠栅法衍生出扫描叠栅法，其在观察点侧用计算机生成的虚拟栅像替换了观察光栅，使之和物面调制的像栅相迭加。其优点是可以很方便地调节光栅栅距、相位等，提高了测量精度。叠栅法装置简单，可全场在线检测，尤其适合光滑表面物体的形貌测量，在工业形貌和人体轮廓测量上应用广泛，其精度与直接三角法相当［２８］。但由于观测中滤除了高频成分，叠栅法灵敏度较低，分辨率和精度受物体表面倾斜度、反射率变化以及阴影等的影响，不适合进行高精度测量。如果需要重建出物面局部精细结构，而测量时间充裕允许拍摄多幅图像，则在同样粗细光栅条件下，可采用移相法。２）移相法移相法是通过分析不同位置的物面光栅条纹图像，进行相位解调进而获得各点深度信息。如果是在移动光栅过程中采集所需图像，则称为时域移相法，又称为时域相位测量轮廓术，如图５所示。图５时域移相法示意图Ｆｉｇ．５Ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｐｈａｓｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ０７０００３－６
    ５４，０７０００３（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ测量系统使用正弦光栅，其在待测物面上的光栅条纹光强可表示为：Ｉ（ｘ，ｙ）＝Ｒ（ｘ，ｙ）｛Ａ（ｘ，ｙ）＋Ｂ（ｘ，ｙ）·ｃｏｓ［Φ（ｘ，ｙ）］｝，（１）式中Ａ（ｘ，ｙ）代表背景强度，Ｂ（ｘ，ｙ）／Ａ（ｘ，ｙ）指条纹对比度。Ｒ（ｘ，ｙ）是物体表面各点反射率。相位函数Φ（ｘ，ｙ）描述的是由物面调制的光栅条纹形变。通过控制机构使投影光栅按其周期的１／Ｎ间隔做横向移动，采集Ｎ张变形光栅像（称为Ｎ步时域移相法），进而解算深度信息。时域移相法运算量少，灵敏度高，是光栅相位法中最有效、最可靠的一种，其精度通常优于０．１ｍｍ［２９］，德国ＡＴＯＳ公司开发的Ｔｒｉｐｌｅ　Ｓｃａｎ工业级高解析度３Ｄ扫描测量仪的精度更可达到０．０１ｍｍ。但是，其需要对光栅进行精密移动，增加了系统的复杂性。同时由于时域移相法需要在不同时刻采集多张条纹图像，因此不适合动态测量。鉴于此，空域移相法被提出。空域移相法又称为空域相位测量轮廓术，其结构布局与时域移相法相同，但只用一幅条纹图来解调相位信息。其原理是采用两个窗函数直接卷积原图，从而将一幅条纹图拆为Ｎ幅，再采用时域移相法公式计算相位。这种方法能近似达到时域移相法的效果，但要求正弦栅像具有高载频，原图条纹的幅值、相位以及背景变换要缓慢。即使如此，其分辨率仍较低，与相同条件下的Ｎ步时域移相法相比，分辨率相差Ｎ倍。３）变换法随着数字滤波技术的不断发展，基于傅里叶变换、小波变换等数字滤波工具的变换法也逐渐成为光栅相位法中的重要一支。其基本测量结构与时域移相法相同，根据数字滤波内核的不同可分为傅里叶变换轮廓（ＦＴＰ）法［３０］和小波变换轮廓（ＷＴＰ）法［３１］。傅里叶变换轮廓法的基本原理是通过对光栅投影条纹图像进行傅里叶变换、滤波，将高频载波和低频的物面信息在频域进行分离，然后再通过傅里叶逆变换，提取包含深度信息的相位，近似于在频域进行操作的叠栅法。傅里叶变换轮廓法也只需要采集一幅条纹图即可得到相位值，测量相对误差在１％左右［３２］。其存在的问题是计算量大，使用傅里叶变换将引入额外误差；同时滤波器参数的优化也增加了该方法的实现难度。当待测物面结构比较复杂时，傅里叶变换轮廓法误差较大［３３］，为此引入小波变换轮廓法对原始图像进行多级小波分解，将原始图像和被测物体背景图像相减后再对图像进行上述的频域处理。小波变换轮廓法提高了物面可测梯度阈值，提高了解相精度的稳定性，扩大了变换法结构光测量的应用范围。以上几种光栅相位法，主要存在的实现难点有两个。其一是光栅本身精细度问题，若使用传统实物光栅，所得重建结果分辨率受到光栅条纹密度约束，而使用电子光栅，即使用相干波干涉条纹作为投影光，则对系统机械移动机构的精度以及稳定性要求很高。其二是叠相还原，即精确解算相位分布求取对应深度，常用的方法有利用不同时刻多张相位图实现叠相还原的时域叠相法，以及神经网络法、模拟退火法等抗噪声叠相还原法。和直接三角法相比，虽同为结构光法，光栅相位法的优势在于可满足全场测量的需要，重建和测量精度更高，执行速度更快。但其更适合测量具有光滑表面的物体，在待测物面存在断点、阴影等情况时，光栅相位法会因条纹图像不连续而产生较大误差，因而需要更复杂的解决策略，如对光栅条纹进行编码［３４］。而直接三角法原理简单，系统更加稳定可靠，也不需要引入复杂的条纹分析即可计算出待测物面深度信息，即使物面存在断点和阴影，也不会影响重建与测量。结构光法是主动式非接触测量中最重要也是最常用的一类方法，测量结果可靠，精度高，被广泛应用于工件尺寸测量中。但结构光发射器离目标过远时光强衰减明显，且易受大气扰动和环境光照的影响，若要克服各种问题，取得高精度的测量结果，将使测量系统变得十分复杂，对系统机械精度和稳定性提出很高要求，而这些都会大大增加测量成本。２．３　基于信号干涉测量法信号干涉测量法利用由物面调制的相干信号源生成干涉条纹，待测物面深度信息包含在条纹的相位信息中，结合移相、外差等技术可对物体表面进行高精度重建与测量。根据信号源不同，可将信号干涉测量法分为可见光干涉法和散斑干涉法［８］。２．３．１　可见光干涉法可见光干涉法［３５］的光学系统类似迈克耳孙干涉仪，如图６所示，其以双光束干涉技术为基础，通过特定０７０００３－７
    ５４，０７０００３（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ图６可见光干涉测量示意图Ｆｉｇ．６Ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ｖｉｓｉｂｌｅ　ｌｉｇｈｔ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｙ扫描方式改变待测物体表面或参考镜位置，获得表面各点光强变化的离散数据，再依据可见光干涉特征提取各点对应的最佳干涉位置，即定位零光程差位置，从而获得各点深度信息。可见光干涉测量对光源要求很低，但需要精细稳定的机械扫描机构。其测量精度非常高，分辨率最优可达纳米量级，提高测量精度的途径是提高条纹对比度以及最佳干涉位置的识别精度。可见光干涉测量范围非常小，一般的测量量程在几十微米，主要应用于表面三维微观形貌高精密测量，便于工程零件等的制造质量评价。美国ＷＹＫＯ和ＺＹＧＯ公司利用这一技术生产的可见光干涉测量仪在这一领域最为知名，其量程可达毫米级。２．３．２　散斑干涉法当激光照射在物面上时发生漫反射，会出现明暗散布的斑点，称为激光散斑。研究发现散斑场具有确定的相位信息和可测的光强，并随物面变形而变化，散斑干涉法是通过对比变化前后的散斑图像，高精度地测量物面起伏变化信息。其与计算机技术及数字图像处理技术相结合，形成电子散斑干涉测量技术（ＥＳＰＩ）［３６］，ＥＳＰＩ与相移技术相结合可有效地对物面深度变化信息进行计算。在信号源端布置三个不共面且不同波长的激光束，形成三路散斑干涉条纹，从而将ＥＳＰＩ引入三维［３７］。散斑干涉法可以达到很高的分辨率，能实现全场测量，目前普遍用于机械结构如轴承等在发生形变时的三维位移场精密测量，结合相移法测量精度理论可达到１／１００波长（１０ｎｍ级）。但散斑干涉条纹图像中存在着很强的随机噪声，极大影响了条纹可见度和分辨率，制约了测量精度，同时受信号源约束，散斑干涉法难以测量热变形［３８］。在实际测量过程中，需要研究对干涉条纹图像的滤波去噪处理方法以及条纹高精度自动提取方法，并对相移算法进行优化［３９］。除以上几种主动式三维重建测量类型外，还有电磁波成像、超声波成像、ＣＴ等特殊成像测量方式，其有专门的工业和医疗应用背景［４０］，因此不再细述。主动式测量对环境光源没有依赖，可以根据待测对象、环境、成本等因素有针对性地选择测量方法和工具，测量精度最高可达纳米级别。但是，主动式测量方法需要专门的信号发生装置及控制装置，测量系统相对复杂，测量成本高，同时还要分析主动信号在传播过程中受环境影响而产生的误差。在希望减少测量成本同时对测量精度没有过高要求的情况下，可以考虑被动式测量的方法。３　被动式测量被动式测量［４１］指通过摄影测量方法，重建目标表面三维结构并进行测量。如果是通过单一视角图像结合其他已知信息推算目标三维结构，称为单目视觉法；若通过不同视角所采集的同一时刻图像进行密集匹配和立体视觉交会，计算待测物面各点三维空间点坐标进而获得物体三维模型并进行测量，则称为立体视觉法。０７０００３－８
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