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其中投影莫尔法的特点是适合于测量较大的物体

发布时间:2021-02-24 12:46 作者:金宝搏

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  三维数据测量技术是计算机视觉领域的重要课题,在虚拟现实、文物保护、机械加工、影视特技制作、计算机仿真、服装设计等领域有着广泛的应用。

  三维数据测量即对物体的三维数据进行测量,根据三维数据测量采用的原理媒介的不同可以将其分为两大类:接触式测量和非接触式测量。接触式测量是在测量时与被测物体相接触的测量方法;非接触式测量则指在测量时与被测物体不接触的测量方法。

  近年来随着计算机技术的发展,三维数据测量技术有了更广泛的应用,例如文物保护、机械加工、影视特技制作、虚拟现实、服装设计等。

  (1)在文物保护方面,三维数据测量技术能以不损伤物体的手段,获得文物的外形尺寸,记录的信息完

  整全面,而不是象照片那样仅仅是几个侧面的图像。而且这些信息便于长期保存,便于复制、再现、传输、查阅和交流。

  (2)在工业生产方面,利用三维数据测量技术获取零件表面每个点的坐标之后,就可以进行数控加工。

  (3)在影视特技制作方面,利用三维数据测量技术将演员、道具、模型等的表面空间数据输入计算机中,构成与真实物体完全一致的模型,有了这些数字化模型,就可以用计算机三维动画软件对它们做进一步的特技处理。

  (4)在服装制造方面传统的服装制造,都是按照标准人形尺寸批量生产,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。三维数据测量技术可以快速地测得人体的三维数据,建立人体模型,将这些数据与服装技术结合就可以按每个人的具体尺寸进行服装设计,并且可以直接在计算机上观看最终的着装效果。

  三维数据测量技术在这些领域的广泛应用促进了这些领域的发展,同时,这些领域的进一步发展对三维数据测量技术有了更高的要求,主要包括较低的测量成本、更快的测量速度、更高的测量精度等。然而传统的三维数据测量方法已经不能很好地适应目前的需求,例如有的测量方法需要较昂贵的设备,有的测量速度慢,有的测量精度不高,因此迫切需要低成本、高精度、方便快捷的三维数据测量方法。

  接触式测量和非接触式测量,如图1所示。接触式测量顾名思义是在测量时与被测物体相接触的测量方法,它又可以分为破坏式测量和非破坏式测量两种。非接触式测量可以分为反射式测量和穿透式测量。

  坐标测量机(CMM)是较早应用于三维测量的工具,目前CMM仍是工厂的标准立体测量装备。它将一个探针装在3自由度(或更多自由度)的伺服装置上,驱动探针沿三个方向移动。当探针接触物体表面时,测量其在三个方向的移动,就可知道物体表面这一点的三维坐标。控制探针在物体表面移动和触碰,可以完成整个表面的三维测量。其优点是测量精度高,缺点是价格昂贵,物体形状复杂时的控制复杂、速度慢。

  机械测量臂借用了坐标测量机的接触探针原理,把驱动伺服机构改为可精确定位的多关节随动式机械臂,由人牵引装有探针的机械臂在物体表面滑动扫描。利用机械臂关节上的角度传感器的测量值,可以计算探针的三维坐标。因为人的牵引使其速度比坐标测量机快,而且结构简单,成本低,灵活性好。

  切片式测量是接触破坏式测量的代表。该方法通过将物体切削获取物体截面的数据,并将截面数据组合而得到物体的三维数据。此方法不但可以获取物体外围三维数据而且可以获取物体内部的三维数据。该方法的缺点是会对被测物体造成永久性损坏,并且对物体的切削需要精密设备。前不久国内的“数字化可视人”项目就是将人体标本切削成2518个连续横断面切片,通过这些断面获取人体的三维数据。

  计算机断层摄影术(Computer tomography, CT)属于穿透式测量法。在工业CT中,让X射线穿越物体然后检测在各个不同的方向穿越物体过后的射线强度。利用这些不同方向上的投影数据,就可以重建高清晰度的物体断面图像。这种透射方式相对于反射方式主要有以下一些优点:它不易受物体表面反射特性的影响,能够获得从外部不可见的物体内腔形体信息。工业CT扫描仪的主要缺点有:CT造价很高,物质密度的大变化(例如粘着木头的金属)会降低精确度,因为使用放射性物质,所以具有潜在的危险。

  (1)非光学测量向被测物体表面发出各种波,依据波的反射时间或相位变化,可以推算物体表面的空间位置,如早期的雷达声纳测距等。但由于早期技术限制只能估算物体的方位和大概距离。近些年来借助雷达测距器原理,发展了利用激光或超声波等为媒介的测量方法。由于对信号和时间的精确测量比较困难,因此难以对小尺寸的物体测量。

  (2)光学测量是目前三维数据测量研究的主要方向之一,其分类情况如图2所示。光学测量分为主动式和被动式两种。

  被动三维测量采用非结构照明方式,从一个或多个摄像系统获取的二维图像中确定距离信息,从而形成三维面形数据。包括采用一幅图像的从阴影恢复形状法(Shape-from-shading )、利用几何光学的聚焦原理进行距离测量的聚焦或散焦测量法(Range from focus)、采用两幅或多幅图像的立体视觉法(Stereo vision )、对视频流进行基于光流场的运动分析的方法。在这些方法中,对于从一个摄像系统获取的二维图像中确定距离信息时,需要依赖于物体的大致形态、光照条件等先验知识。如果这些知识不完整,对距离的计算可能产生误差;对于从两个或多个摄像系统获取的不同视觉方向的二维图像中确定距离信息时,通过相关或匹配等运算可以获取物体的三维数据,但这种双目立体的重建方法常常要求进行大量的数据运算,当被测物体上各点反射率没有明显差异时,这种运算变得更加困难。因此,被动三维数据测量常常用于对三维目标的识别以及形态分析。这类方法适用于无法采用结构照明的环境。虽然这种方法系统结构相对比较简单,但是很难满足大多数应用情况下对大数据量和高精度数据的要求。

  主动式光学三维数据测量即结构光测量,通常以某种形状结构的光投射到物体表面,监测反射光,从而得到物体的三维信息。相对于被动的和非光学的方法,许多主动式方法能够很快地获得大量的、高精度的三维数据。相对于工业CT,他们更安全,而且造价低。当然他们也存在只能测量物体表面可见部分的形体的局限。

  自Meadows等1970年提出莫尔轮廓法以来,在此基础上提出了投影(Projection)莫尔法、影像(Shadow)莫尔法、扫描(Scanning)莫尔法以及这些方法的改进方法。其中投影莫尔法的特点是适合于测量较大的物体。影像莫尔法的特点是原理简单,精度高,但由于制造面积较大的光栅较为困难,故该方法只适用于小物体的测量。

  这种方法采用正弦光栅投影和相移技术,通过获取全场条纹的空间信息和一个条纹周期内相移条纹的时序信息,重建物体的三维立体形状。这种方法的特点是精度高,缺点是不能消除条纹中高频噪声引起的误差。近年来PMP技术的进展主要有:

  (1)基于离焦投影罗奇光栅的PMP方法,这种方法采用由离焦引起的光学低通滤波和N位相算法表征的数字滤波的解析描述,该法的主要优点是在一定离焦范围内和适当选择相移次数的情况下,系统仍具有很高的测量精度;

  (2)提出了智能型主动光学三维传感的概念和体系结构,实现了采用计算机控制的液晶投影仪的全电子PMP三维传感系统;

  (3)复杂形体的三维传感技术取得较大进展,提出了许多复杂位相场的展开方法,如条纹跟踪法((Fringe tracking)、网格自动法(Cellular automata)、洪水算法(Flood algorithm)、位相梯度展开法、二元模板法、基于调制深度的展开方法以及神经网络方法等。

  该方法以罗奇光栅产生的结构光场投影到待测三维物体表面,对结构光场进行傅里叶分析、滤波和逆傅里叶分析,就可以从变形图形中提取三维面形信息。该技术具有比传统莫尔技术更高的灵敏度,并全自动区分物体表面的起伏变化,对条纹阶次和内插数的设置没有要求,没有由光栅图形的高次谐波成分产生的假的莫尔条纹所引起的误差。近年来有两种较成功的改进方法,一种是采用正弦光栅投影和相移技术,可以使FTP测量的最大范围增加3倍;另一种是为了消除类散斑噪声的影响而发展起来的二维傅里叶变换和二维滤波的方法。FTP法的不足之处在于当测量斜率大的物体时需要极高分辨率的图像获取设备和运算能力大的计算机。

  其基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取景物中的三维信息。向物体投射结构光,拍摄结构光在物面调制下的畸变图像,利用几何光学成像原理从图像得到物面的三维信息,结构光的光源可以采用激光或者普通的可见光。从结构光光源的几何形状上来说,有点状、单线、多线、网状等多种形状。由于该方法具有算法简单、扫描速度快、测量精度高、实用性强等优点,因此在许多三维扫描系统中有着广泛的应用。

  立体视觉获取物体三维数据的难点在于寻找图像中的匹配点,对物体投射结构光可以帮助获取图像中匹配点,弥补了立体视觉的不足


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