基于面結構光自由曲面形面測量技術研究綜述?

靳 碩 張鐵犁 王 蕾

（北京航天計量測試技術研究所 北京 100076）

1 引言

近年來，臨近空間飛行器、可重復使用軌道飛行器等新型航天器迅速發(fā)展，其結構件的外形特征已突破傳統(tǒng)的軸對稱結構，往往設計為復雜非對稱曲面，基于特征點的單點測量和校準無法提供足夠的數據，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未來的發(fā)展，空間自由曲面、復雜內形面的測量問題將成為未來幾何量測量的突出問題。

基于面結構光的自由曲面形面測量技術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、現場測量、非合作目標等諸多優(yōu)點，在逆向工程、磨具設計、工業(yè)檢測、質量控制、文物保護、醫(yī)學成像、農業(yè)測繪、水下探測等領域取得了廣泛應用，開展基于面結構光的自由曲面形面測量研究具有十分重要的意義。

2 面結構光測量方法

面結構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，可以得出相位信息，進而利用三角法根據相位與物體空間坐標的轉化關系求出物體的三維坐標。

圖1 投影的光柵

圖2 變形的光柵

圖3 結構光三維測量原理

3 面結構光自由曲面形面測量國內外研究現狀

3.1 國內外技術研究現狀

3.1.1 國外技術研究現狀

電子技術與計算機技術的飛速發(fā)展推動著面結構光自由曲面形面測量技術日趨成熟。越來越多的研究學者致力于采用結構光測量法實現自由曲面形面的測量，從多種形式的結構光測量發(fā)展到運用編碼、彩色、多頻、外差式等結構光測量方法，并引入相位輪廓測量和傅里葉變換測量技術與多投射點投射、多方位測量的方法，能夠對大范圍、復雜面形，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中，為光柵投影法的發(fā)展和應用奠定了基礎，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三維測量技術向著高精度、高效率、實用化的方向迅速發(fā)展。

在20世紀九十年代，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構光測量系統(tǒng)，如：Steinbichler GmbH的C0MET5型結構光三維測量系統(tǒng)，GOM GmbH的Atos-II型結構光三維測量系統(tǒng)等。

2001年德國斯圖加特大學Jens Gühring等［7］提出了一種編碼方式的結構光測量系統(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Li Zhang等［8］提出了一種彩色結構光技術，通過投射一種基于De.Bruijn編碼序列的彩色條紋，并實現其邊界匹配，用于從單幅或多幅圖像中恢復物體的三維面形。

2005年，加拿大滑鐵盧大學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、柵格線和內部灰度呈梯形變化的紋理的柵格構成，只需要投影一幅圖案就可實現對目標的測量。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，將時域編碼轉變?yōu)榛谝朁c編碼實現的條紋匹配，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)實現過程繁瑣，系統(tǒng)結構復雜。

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

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

3.1.2 國內技術研究現狀

我國在該領域的研究開展較晚，但針對面結構光的自由曲面形面測量技術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，四川大學的蘇顯渝［13］等研制出基于激光結構光的三維面形測量系統(tǒng)；1993年，四川大學和西南石油學院采用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，利用狹縫式結構光并結合回轉機構和測頭的移動機構，來獲取復雜曲面物體的三維信息。采用Screw理論應用于多視角測量數據融合中，并使用最小二乘優(yōu)化法優(yōu)化坐標系參數的求取，降低了計算的復雜性，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，大連理工大學薛信慶［16］構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，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構光三維面形測量方法，將相位展開與條紋編碼相結合，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，具有良好的精度和可靠性。

2013年，上海交通大學張鑫［18］等提出一種隨機編碼結構光投影的雙目立體視覺快速三維測量技術，僅需一次拍攝即可快速輸出大量三維點云數據，能夠實現動態(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構光三維測量技術并提出一種任意擺放的面結構光三維測量系統(tǒng)及相應的系統(tǒng)標定技術，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、高空間分辨率的結構光圖案編碼方法。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，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結構光空間編碼算法，能針對特定的被測物體實現高分辨率編碼，同時提出了一種基于色彩遷移技術的彩色結構光解碼算法，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構光圖像進行增強和去光照處理，還原結構光圖像條紋的顏色信息。

3.2 國內外儀器設備發(fā)展現狀

3.2.1 國外儀器設備發(fā)展現狀

面結構光三維測量技術的研究和應用在國外開展較早，技術也都比較成熟。此項技術已實現產業(yè)化。

德國Gom公司開發(fā)的Atos系列流動光學三維測量系統(tǒng)［22］代表著國際先進水平。ATOS Core產品如圖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，并結合先進的CCD相機定位技術，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光電技術有限公司開發(fā)的Com?et系列三維數字化掃描系統(tǒng)［23］，COMET6結構光測量系統(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結構光測量系統(tǒng)

3.2.2 國內儀器設備發(fā)展現狀

國內的面結構光測量技術研究起步相對較晚，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權的結構光三維測量系統(tǒng)，但測量精度相對落后于國外產品。

北京天遠三維科技有限公司［24］與清華大學相關課題組密切合作，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 結語

從以上研究可以看出，國外結構光自由曲面形面測量技術的研究由于起步較早，已經取得了豐碩的研究成果，并將其廣泛應用于工業(yè)領域，實現了結構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)商品化的面結構光自由曲面形面測量系統(tǒng)，但由于起步較晚，測量技術較為薄弱，且產品相對較少，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，面結構光自由曲面形面測量技術在工業(yè)產品中的創(chuàng)新設計及廣泛應用還需進一步的努力和更加深入的研究。