主动三维传感技术

前言:近年随着计算机、光学和光电子技术的飞速发展,传统计量方法不经觉间产生了极大的变化,新的三维测量技术不断涌现,采用光学技术获取被测量物体三维信息的方法是当前发展极为迅速的一个领域.

        光学三维测量方法可以分为两大类:被动三维传感技术和主动三维传感技术.被动三维传感技术使用正常光源;主动三维传感技术采用结构照明方式,利用三维物体表面对结构光场的调制,从携带信息的接受光场中解调出三维数据.

        主动三维传感技术有两种基本方法:时间调制法和空间调制法。时间调制法主要为飞行时间法,通过直接测量光脉冲的飞行时间来确定被测物体的三维面形;空间调制法基于三角测量原理,是目前应用较多的一种测量方法.这种测量方法的原理是利用衍射或几何投影的方法,将激光或白光调制成栅状分布的光束,这种规则分布的栅状光束投影在被测量的三维物体上.如果被测物体是一个平面,根据入射角度的不同,在被测物体表面观察到的光束为栅距发生变化的光栅(或非平行光栅);如果被测物体为曲面,则会产生变形的条纹.利用这种变化的信息,可计算出每个(X，Y)坐标点的高度值,这些数据的集合即可表征被测物体的三维尺寸.

        经过多年的技术发展,根据测量对象的不同,空间调制法已派生出多种不同的测量和数据处理方法,包括调制度测量法、散斑投影法、二元编码投影法、莫尔轮廓术、位相测量轮廓术、傅立叶变换轮廓术、空间位相检测法等.在这些方法中,傅立叶变换轮廓术和相位测量轮廓术是两种主要的方法.傅立叶变换轮廓术是通过对接收的二维图像强度进行傅立叶变换、滤波和处理而得到三维轮廓,其特点是测量速度快,适用于高速测量(如研究水的涡流、爆破的瞬时过程等);相位测量轮廓术一般采用正弦光栅投影和数字移相技术,它虽然是一种宏观测量方法,但数据处理时符合物点与像点的共轭关系,且与物体表面反射的均匀性无关,因此是空间调制三维测量技术中精度最高的一种方法.

近年来,主动传感技术的应用日渐普及,典型的产品有德国GOM公司的ATOS三维数字化测量仪,它采用结构光场的相位检测方法,光束投射到被测工件表面产生的变形光栅由两个CCD接收.仪器体积很小(仅4kg重),其测量范围达10mm～10m(大范围测量需加参考靶以便进行图像拼接),测量结果可以STL格式输出,进入CAD系统或数控机床实现反求.在CIMT2005中国国际机床工具展览会上,也展出了多种基于主动传感技术的坐标测量机测头,包括一维测头(线结构光)和二维测头(面结构光),这些测头的特点是测量速度快、信息量大、非接触测量,特别适合测量具有复杂形面的柔软物体.

        主动传感三维测量技术是近二十年来迅速发展起来的一项新技术,各国学者都极为关注,是计量测试领域中的一个新热门研究课题,可以预期,这种技术的应用将会日益广泛,发展前景广阔.