1.2　光学三维测量系统的介绍

光学三维测量[1,2]是一种快速测量获得物体形貌的技术，如图1.1所示，根据照明方式采取的不同，光学三维测量系统分为被动式三维测量和主动式三维测量。

 光学三维测量系统的分类

1.2.1　被动式三维测量

在被动式三维测量[1,2]中，物体周围的光线为物体提供了光源，通过一个或是多个摄像系统将物体的三维信息记录下，然后从获取的携带物体相位信息的图像中恢复待测物体的三维面形。

被动式三维测量受周围环境的影响，测量精度相对比较低，计算量比较大，因此在对精度要求比较高的精密测量时并不适用。通常被动式三维测量可以用来识别、解析三维物体以及对三维物体的位行进行分析。但是由于被动式三维测量的测量系统简单，数据采集方便快捷，所以在机器视觉领域有很广泛的应用。被动式三维测量方法主要包括被动三维离焦法、双目视觉、光度立体视觉、由纹理恢复形状等。

1.2.2　主动式三维测量

主动式三维测量[1,2]使用了结构光照明的方式，由于三维物体对结构光场中的时间量或是空间量有调制作用，从而可以从结构光场中解调得到物体的三维面形。主动式三维测量的测量精度较高，因此，在测量三维传感系统中应用广泛。根据物体对不同的结构光场，其调制方式的不尽相同，主动式三维测量又可以分为飞行时间法（TOF）和三角测量法。

（1）飞行时间法（TOF）

飞行时间法[2]（TOF）是基于物体对光场具有时间调制的作用，依据原理是：在某一介质中，声速或光速传播的速度不变。其方法是一个信号（光波或声波）以确定的速度由测量系统发出，再经过一段时间后，经被测物体反射后，被测量系统接收，通过计算信号的飞行时间，再利用公式(1-1)计算出被测物体与测量系统之间的距离。为了获得物体完整的三维信息，信号束必须对整个系统进行扫描。TOF的原理图如图1.2（A）所示，已知传播速度为v和飞行时间为 ，则传播距离x可以表示为：

（A）飞行时间发系统原理图 （B）x与 的线性关系

图1.2 飞行时间法

（2）三角测量法

三角测量法[1,2]的原理如图1.3所示，也就是利用三维面形对光束产生的空间调制，改变了光束的角度，即改变了光点在采集器阵列上的位置，通过对光点位置的确定和系统光路的几何关系，求得距离。

实际上，许多的测量物体三维形貌的仪器都是基于三角测量法，只是对于不同的测量仪器，计算三角关系时，提取参数的方式不尽相同。

光学投影式三维测量技术就是属于主动式三维测量，它大致可以分为：直角三角法和相位测量法。

相位测量法的测量基础是变形光栅像的相位。由于光栅相位受到物体高度的调制，通过相位与高度之间的相互转化就可以得到物体的三维信息。相位测量法不进行光学干涉，因而摆脱了提取光栅中心线、确定莫尔条纹级数的过程，从而大大提高了测量系统的自动化，并且精度和灵敏度也得以提高。比起直角三角法，相位测量法的具有高精度，大范围，测量速率高的特点。但是，它在物体的阴影、物理断点等使图像不连续的部分有出现较大的误差，需要绕过这些缺陷，物体的完整才能被准确的还原出来。目前，常见的相位测量轮廓术有时域相位轮廓术、空域相位轮廓术、傅里叶变换轮廓术[2]等。