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常用的三维信息获取技术.pdf

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常用的三维信息获取技术 430074 湖北 武汉 华中理工大学 图象识别与人工智能研究所 图象信息处理与智能控制国家教委开放实验室 金刚 (Email: GatsbyKing@163.net) 李泽宇 陈振宇 李德华 三维(彩色)扫描技术,又称为三维(彩色)信息数字化技术,其关键在于如何快速获取物体的立体三 维信息,对此人们进行了长期的研究,发展了各种各样的方法。采用何种原理获取三维信息,在很大程度上 决定了装置的构造、性能、成本、适用范围,各类三维扫描装置的根本区别也在于此。 早期的作法:接触测量 早期用于三维测量的是坐标测量机(Coordinate Measure Machine, CMM),目前CMM 也仍然是工厂的标 准立体测量装备。这类装置将一个探针装在三自由度(或更多自由度)的伺服装置上,驱动探针沿上下、左 右、前后三个方向移动,当探针碰到物体表面时,分别测量其在三个方向的位移,就可以知道这一点的三维 坐标。控制探针在物体表面移动、碰触,可以完成整个表面的三维测量。量测精度高是其优点,其缺点也是 很明显的:价格昂贵;当物体形状复杂时,对探针运动路径的规划、控制相当复杂,使用非常不方便;每次 只能测量一个点,速度很慢;无法得到色彩信息。这种装置虽然也是通过探针在物体表面扫描来工作,但算 作纯粹的测量仪器更恰当些。 向雷达学习:图象雷达 技术人员借助雷达的原理,发展了用激光、超声波等媒介来代替探针进行深度测量的技术。由测距器主 动向被测物体表面发射探测信号,信号遇到物体表面反射回来,依据信号的飞行时间或相位变化,可以推算 出信号飞行距离,从而得到物体表面的空间位置信息,称为“飞点法”或“图象雷达”。通常用激光或超声 波作为探测脉冲。基于这一原理的激光干涉仪,精度可达光波长量级。但它需要在物体上放置专门的反射体, 即属于有导轨测量,其应用范围受到很大限制,不能用于三维扫描。对于无导轨测量,目前基于这种技术, 不少公司开发出了用于较大尺度的测距场合(如战场、建筑工地等)的产品。 但对于小尺度场合的物体扫描,这类方法最大的困难在于探测信号和时间的精确测量,时间上一个很小 的误差,乘上光速,得到的距离误差就很大。通常采用经过调制的激光,根据反射的调制波的相位变化来推 算距离。Leica 公司,Acuity 公司推出了采用激光或红外线的测距仪,精度在毫米级,Senix 公司则开发了 超声测距仪。这种方法一般每次测量物体表面一个点,配合机械装置的扫描运动,完成对整个表面的扫描测 量。 这种方法不涉及图象处理问题,且受遮挡的影响小,但对装置中的脉冲探测和时间测量设备精度要求高, 扫描速度慢。但随着精确时间计量仪器价格的降低和电子技术的发展,这种技术的发展前景仍然看好,目前 高精度计时器价格已经降到可以接受的水平。 这方面技术的最新进展,是采用经过调制的光作为照明光源,照射被扫描物体,分析拍摄的图象,得到 物体表面的三维信息,这样不需要机械扫描运动,一次就能完成一块区域的三维测量。从技术原理上说是相 当先进的,但目前离成熟商品化还有一段距离。 最流行的方法:基于计算机视觉 L.Robert 在 1965 年发表了“三维物体的机器感知”一文,阐述了利用计算机视觉手段从二维图象获得 物体三维信息的可能性。随着计算机软硬件、激光、CCD、PSD 等技术的飞速发展,对数字图象处理、计算机 视觉理论研究的深入,基于计算机视觉理论的三维彩色信息获取技术成为这一领域技术发展的主流。特别是 八十年代以来,在这一领域,无论在理论、技术还是产品化方面,都取得了长足的进步。 基于计算机视觉理论,先后提出了单目视觉法(包括 Shape from shading,Shape from Texture,Shape from gradient,Shape from focussing 等)、立体视觉法(包括双目,多目视觉)、从轮廓恢复形状法、从 运动恢复形状法、结构光法、编码光法等多种三维信息获取方法,这些方法有的在现阶段只有理论研究的意 义,难于实用化,但其中如结构光、编码光等方法则成为目前大部分三维扫描设备的基础。
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