三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用 三维信息获取技术,也称为三维数字化技术。它研究如何获取物体表面空间坐标,得到物体三维数字化模型的方法。这一技术广泛应用于国民经济和社会生活的许多领域,如在自动化测控系统中,可以测微小、巨大、不规则等常规方法难以测量物体。 随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。20世纪90年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。
使用国产地面激光扫描仪扫描的输电线三维模型 三维激光扫描测量技术的特点 三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前，生产三维激光扫描仪的公司有很多，它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描仪产品。
光学三维测量技术及应用 摘要：随着现代科学技术的发展，光学三维测量已经在越来越广泛的领域起到了重要作用。本文主要对接触式三维测量和非接触式三维测量进行了介绍。着重介绍了光学三维测量技术的各种实现方法及原理。最后对目前光学三维测量的应用进行了简单介绍。 1 引言 随着科学技术和工业的发展，三维测量技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、反求工程、CAD/CAM以及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。。 光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。光学测量主要应用在现代工业检测。借用计算机技术，可以实现快速，准确的测量。方便记录，存储，打印，查询等等功能。 光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。随着现代检测技术的进步，特别是随着激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，三维测量技术逐步成为人们的研究重点。光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用。 2 三维测量技术方法及分类 三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。如图1所示。 图1 三维测量技术分类
2.1 接触式测量 物体三维接触式测量的典型代表是坐标测量机(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是一种大型精密的三坐标测量仪器[1]，它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。 三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括：（1）灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；（2）测量精度高且可靠；（3）可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能化程度。 早期的坐标测量机大多使用固定刚性测头，它最为简单，缺点也很多[2]。主要为（1）测量时操作人员凭手的感觉来保证测头与工件的接触压力，这往往因人而异且与读数之间很难定量描述；（2）刚性测头为非反馈型测头，不能用于数控坐标测量机上；（3）必须对测头半径进行三维补偿才能得到真实的实物表面数据。针对上述缺陷，人们陆续开发出各种电感式、电容式反馈型微位移测头，解决了数控坐标测量机自动测量的难题，但测量时测头与被测物之间仍存在一定的接触压力，对柔软物体的测量必然导致测量误差。另外测头半径三维补偿问题依然存在。三维测头的出现可以相对容易地解决测头半径三维补偿的难题，但三维测头仍存在接触压力，对不可触及的表面（如软表面，精密的光滑表面等）无法测量，而且测头的扫描速度受到机械限制，测量效率很低，不适合大范围测量。 2.2 非接触式测量 非接触式测量技术是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的，其测量基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。随着各种高性能器件如半导体激光器LD、电荷耦合器件CCD、CMOS图像传感器和位置敏感传感器PSD等的出现，新型三维传感器不断出现，其性能也大幅度提高，光学非接触测量技术得到迅猛的发展。 非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量。其中，光学非接触式测量是非接触式测量中主要采用的方法。 3 光学非接触式三维测量的概述 光学非接触式三维测量技术根据获取三维信息的基本方法可分为两大类：被动式与主动式。如图2所示[3]。 主动式是利用特殊的受控光源（称为主动光源）照射被测物，根据主动光源的已知结构信息（几何的、物体的、光学的）获取景物的三维信息。被动式是在自然光（包括室内可控照明光）条件下，通过摄像机等光学传感器摄取的二维灰度图像获取物体的三维信息。
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光学三维测量技术综述 1．引言 客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工 程、生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。 三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。如图所示。 图三维测量方法分类 接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。但 是尽管如此，依然会有一些缺点[2]： (1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。 (2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。 (3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。 接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。
非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法等非光学的非接触式三维测量方法也都可以测量物体的内部及外部结构的表面信息，且不需要破坏被测物体，但是这种测量方法的精度不高。而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的 应用,被公认是最有前途的三维轮廓测量方法[3]。由于光不能深入物体内部，所 以光学三维测量只能测量物体表面轮廓，因此，本文中所言光学三维测量即指光学三维轮廓测量，此后不再单独解释。 光学三维测量技术总体而言可以分为主动式光学三维测量和被动式光学三维测量，根据具体的原理又可以分为双目立体视觉测量法、离焦测量法、飞行时间法、激光三角法、莫尔轮廓术和结构光编码法等。下面就刚刚提到的几种光学三维测量技术的原理进行逐一讲解。 2.测量原理 被动式光学三维测量 双目立体视觉测量法 双目成像采用视觉原理来获得同一场景的2幅不同图像。通过对物体上同一点在2幅图像上的2个像点的匹配和检测,可以得到该点的坐标信息。测量原理如图所示。设摄像机基线长为B,视差定义为D= P1- P2,其中P1、P2为空间点W(X,Y,Z)在2像面上的投影点,则由几何关系可得Z=Bf/ D。计算出物点的深度坐标后,其它2个坐标可以通过简单的几何透视关系得出。双目视觉成像原理简单,但由于需要在两幅图像中寻找对定点的匹配,实际计算过程较为复杂。 图双目立体视觉法三维测量原理图
中腰分类号：ＴＮ２４７密缀：单悦代号：ｌＬ９０３ 々ｅ：０２７２０４６４ 上海大学＠／；ｌｉｔ硕士学位论文ＳＨＡＮＧＨＡｌＵＮＩＶＥＲＳｌＴＹ ＭＡＳＴＥＲ’ＳＴＨＥＳＩＳ 题｛镜面反射物体光学三维测 日量技术研究 作看陶蓬 学科专业精密仪器及机械 导师竖堑里 完成日期２００５．０６
第一章：概述 １．１课题的研究意义 “镜面反射物体光学三维测量技术研究（Ｒｅｓｅａｒｃｈ（）ｎＯｐｔｉｃａｌＴｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＳｐｅｃｕｌａｒＯｂｊｅｃｔｓ）”试图以光学方岳为手段，实现镜面反射物体（ＳｐｅｃｕｌａｒＯｂｊｅｃｔｓ）三维面形的快速测量与重建。 １９７０年代以来，光学三维测量技术以其高精度、高效率和非接触性（Ｎｏｎ—Ｃｏｎｔａｃｔ）的优点，已经在工业及民用领域得到广泛的应用和发展¨１２ｌ。首先，在工业领域，光学三维测量技术的作用是为先进制造业服务，担负起保证产品质量和提高生产效率的重任。特别是在航天航空工业、汽车制造业中，其应用可贯穿于从产品开发到制造，以及质量控制的整个生产过程；具体如在ｃＡＤ／ｃＡＭ／ｃＡＥ（计算机辅助设计／制造／工程）中替代接触式测量，用于构建逆向工程（ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）系统，为产品开发和仿真加工制造提供一一种理想的设计手段。其次，在非工业领域亦有广阔的市场空间，比如①在多媒体技术及虚拟现实技术Ｉ３Ｉ中的应用、②在医疗诊断｜４】及人类学Ｉ５Ｉ中的应用等等。 但是，现有光学三维测量主流技术及其设备主要针对的是漫反射物体（ＤｅｆｕｓｅｄＯｂｊｅｃｔｓ）的三维测量，而难以有效地测量镜面物体。而在实际应用中，大量被测物体的表面性质为镜面反射。特别是在工业领域，镜面反射物体更是占有较大比重。例如，抛光模具等精加工零部件、某些表面涂镀零件（如喷镀汽车覆盖件）、某些玻璃及塑料制品以及印刷线路板的焊点等，其表 图１－１工业中常见的镜面反射物体 （ａ）喷镀车身（ｂ）印刷线路板的焊点（ｃ）抛光模具（ｄ）精加Ｔ零部件 面性质均为镜面反射。图１．１是工程中常见的镜面反射物体。目前，对于这类零件的三维检测一般采用两种办法： 其一，呆用传统的坐标测量机（ＣＭＭ）等接触式测量设备，速度很慢； 其二，喷涂其表面，改变其反射特性为漫反射后用光学方法测量【１１，这种方法削弱了光学测量方法的非接触优点。 事实上，镜面物体的光学三维测量技术研究已严重滞后于需求的快速增氏，对其研究具有重要的科学技术价值。从实用性的角度，该技术研究来源自２２程中的实际需求，其成果必然具有良好的应用前景；从技术角度，其意义在于镜面反射物体的光学三维测量已经成为工程测量领域中一个亟待解决的技术难题，对其开展研究，有助于丰富光学三维测量领域中的知识成果，从而拓宽光学三维测量技术的应用领域。
光学三维测量技术 1. 引言 人类观察到的世界是一个三维世界, 尽可能准确和完备地获取客观世界的三维信息才能尽可能准确和完备地刻画和再现客观世界。对三维信息的获取和处理技术体现了人类对客观世界的把握能力,因而从某种程度上来说它是体现人类智慧的一个重要标志。 近年来, 计算机技术的飞速发展推动了三维数字化技术的逐步成熟, 三维数字化信息获取与处理技术以各种不同的风貌与特色进入到各个不同领域之中 [1]:在工业界, 它已成为设计进程中的一环, 凡产品设计、模具开发等, 无一不与三维数字化测量有着紧密的结合; 虚拟现实技术需要大量景物的三维彩色模型数据, 以用于国防、模拟训练、科学试验; 大量应用的三坐标测量机和医学上广泛应用的 CT 机和 MRI 核磁共振仪器,也属于三维数字化技术的典型应用;文化艺术数字化保存(意大利的古代铜像数字化、中国的古代佛像数字化、古文物数字化保存、 3D 动画的模型建构(电影如侏罗纪公园、太空战士、医学研究中的牙齿、骨头扫描, 甚至人类学的考古研究等, 都可运用三维扫描仪快速地将模型扫描、建构; 而随着宽频与计算机速度的提升, Web 3D的网络虚拟世界将更为普及,更带动了三维数字化扫描技术推广到商品的电子商务、产品简报、电玩动画等, 这一切都表明未来的世界是三维的世界。 目前, 有很多种方法可用来获取目标物体的三维形状数据, 光学三维测量技术(Optiacl Three-dimensional Measurement Techniques因为其“非接触”与“全场”的特点,是目前工程应用中最有发展前途的三维数据采集方法。光学三维测量技术是二十世纪科学技术飞速发展所催生的丰富多彩的诸多实用技术之一, 它是以现代光学为基础, 融光电子学、计算机图像处理、图形学、信号处理等科学技术为一体的现代测量技术。它把光学图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用, 其目的是从图像中提取有用的信号, 完成三维实体模型的重构 [2]。随着激光技术、精密计量光栅制造技术、计算机技术以及图像处理等高新技术的发展, 以及不断推出的高
－72－科技论坛 1概述 非接触光学投影式三维形貌测量技术是 获取物体表面形态特征的一种重要手段，是一 种逆向工程技术，亦称为反求工程(Reverse En- gineering)，简称RE [1]。由于这种三维形貌测量技 术具有速度快、分辨率高和非接触等优点而广 泛应用于工程设计、质量控制、医疗诊断和计算 机辅助制造等方面[2]。本文以相位测量轮廓术中 的光栅投影法为重点，介绍了其测量基本原理、 组成以及应用，研究了正弦光栅投影技术和数 字图像处理技术，并利用德国GOM 公司生产 的Advanced TOpometric Sensor 系列（简称 ATOS ）流动式光学扫描仪是对鼠标进行了测量 与分析。实验表明：三维光学形貌测量技术简单 实用、测量精度高、便于实现自动测量，是一种 较为理想的光学测量方法。 2相位测量轮廓术的基本原理 相位测量轮廓术的基本原理如图1所示。 D 点为投射系统出瞳中心，DO 为投影光轴。C 点为成像系统入瞳中心，CO 为探测光轴，设 DC=d 且与xoy 参考面平行。从D 点对E 点投 影位置本该落到B 点，但由于物体表面形状调 制的原因，在CCD 镜头上则成像于A 点。设 AB=S R (x ，y)，表示偏移量，则E 点的高度为 可见只要计算出偏移量，就能得到被测物体表面各点的高度，实现三维轮廓测量，具体计算是采用相移技术。将正弦光栅投影到待测物体表面上，并规定坐标原点O 处系统相位为零，采用四步相移技术，每步，利用 CCD 摄像机分别获得四幅畸变光栅条纹的光强，利用光强关系计算得到E 点相位。再利用光栅直接投影在参考面上的光强关系计算得到A 点相位[3]，它们相位差为若被测物高度远小于L ，则E 点高度，将其代入（2）式则有其中，是可通过对测量系统标定来确定的系数，进而根据相位差可得物体高度。3ATOS 流动式光学扫描仪原理ATOS 系列流动式光学扫描仪是目前国际市场上比较先进的三维扫描设备，该设备采用光栅投影相位测量轮廓技术。其测量系统主要由光学扫描仪和计算机等组成。ATOS 光学扫描仪由两个高分辨率CCD 数码相机和光栅投影仪组成。采用双CCD 的设计目的是实时监测扫描过程中由于振动和环境光线变化对测量精度造成的影响，从而确保扫描精度。由于采用流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术，务须移动光学扫描仪，其扫描范围可从10mm 到12m 。不同视角的测量数据依靠粘贴在工件表面上公共的参考点，可自动拼合在统一坐标系内，从而获得完整的扫描数据，对于被参考点覆盖而在工件表面留下的空洞，软件可根据周围点云的曲率变化进行插补[4]。光栅投影仪由光栅和微型步进电机组成。采用不同频率 的光栅分别对同一样品进行组合测量，再将测量得到的图像进行合成方法，可以大大提高检测的分辨率和精度。在ATOS 的光栅投影仪内封装的三组频率不同正弦光栅，刻划在同一玻璃基上，如图2所示。通过微型步进电机可随意切换这三组光栅，进行组合测量。4ATOS 的应用ATOS 系统的软件和硬件均采用模块化设 计，性能稳定，设备操作简单。图3是光栅在鼠标 上的投影，光栅条纹具有较大的光强，良好的景深，具有连续的强度分布及较好的正弦性。由于受鼠标表面形状变化的调制，基准光栅条纹在鼠标表面上产生了畸变，这些畸变条纹就包含了鼠标表面形状的三维信息。利用CCD 摄像机读取畸变条纹，并对图像进行相应的处理，可以得到有关条纹中心线的二维信息，然后根据相应的数学转换模型和重构算法对鼠标轮廓进行重构，得到被测鼠标表面的三维外形数据信息。图4是在鼠标上的投影条纹光强分布图，可以看出是典型的正弦分布。5总结 本文主要分析了基于相位测量的光栅投影 三维轮廓测量系统的基本原理，并以ATOS 流动式光学扫描仪为例详细介绍了光栅投影三维轮廓系统的正弦光栅投影技术和数字图像处理技术。并利用该设备对实际物体三维面形进行了测量，可以看出相位测量轮廓术具有结构简单、速度快，实用，测量精度高、测量范围大、抗干扰性强和可 在线实时测量等优点，是一种较为理想的光学测量方法。 参考文献 [1]V.Srinivasan,H.C.Liu,Maurice Halioua.Automated phase -measuring profilometry:a phase mapping approach.Applied Optics,1985,24(2):185-188.[2]潘伟,赵毅,阮雪榆.相移法在光栅投影测量中的 应用[J].应用光学,2003,24(4):46-49. [3]康新,何小元.基于正弦条纹投影的三维传感及 其去包裹处理[J].光学学报,2001,22(12):1444-1447. [4]任丹,吴禄慎.三维面形位相测量轮廓术的研究[J].南昌大学学报(工科版),2002,3(3):9-12.作者简介：姜洪喜（1976~），男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，硕士，主要从事3D 物体形貌测量和光学梳状滤波器的研究。基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目：（编号11531330）；黑龙江省高等教育学会“十一五”规划课题：（编号H115-C729）；黑龙江科技学院青年基金项目：（编号07-16）光学三维形貌测量技术的分析和应用 姜洪喜任常愚李海宝任敦亮刘炳胜 （黑龙江科技学院，黑龙江哈尔滨150027） 摘要：介绍了光栅投影三维光学测量系统的原理、组成及应用。光栅投影法是将正弦光栅投影到被测物体表面上，由高精度CCD 摄像机摄取这些畸变条纹，并利用数字处理技术获得物体表面三维数据。该方法测量精度高、便于实现自动测量，是一种较为理想的光学测量方法。 关键词：三维形貌测量技术；光栅扫描；ATOS 系统 （1） （2） ,áS x y ,z x y 2 2,á??fS x y áááá ???????á（3） ,2L z x y k d f áá???á
光学三维测量技术综述 1．引言 客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、 生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。 三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。如图 1.1 所示。 图1.1 三维测量方法分类 接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。但是尽 管如此，依然会有一些缺点[2]： (1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。 (2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。 (3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。 接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。 非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法
目录 ?1拼音 ?2 X线头影测量的主要应用 ?3头颅定位X线照像和头影图的描绘 o 3.1头颅定位X线照像 o 3.2头影图的描绘 ?4常用X线头影测量的标志点及平面 o 4.1头影测量标志点 o 4.2头影测量平面 ?5常用硬组织测量项目 o 5.1上下颌骨的常用测量项目。 o 5.2上下前牙的常用测量项目 o 5.3面部高度的常用测量项目 ?6电子计算机化的X线头影测量 o 6.1电子计算机化的X线头影测量特点 o 6.2电子计算机化X线头影测量系统的组成及工作过程 o 6.3数学模型的建立 [返回]1拼音 X xiàn tóu yǐng cè liàng fèn xī 研究颅面 通过对各年龄阶段个体作 于对个体不同时期的测量分析，而作颅面生长发育的纵向研究。由于
严格定位的，因而系列的X线头颅片具有可靠的可比性。Brodie1941年以X线头影测量，对出生后3个月至8岁的儿童的颅面生长发育作了纵向研究，所得出的头影生长图迹重叠图，至今仍广为应用。Enlow提出并为大家所推崇的颅面生长发育新理论，也是 以X线头影测量作为研究手段。林景榕在60年代中亦以X线头影测量对我国儿童的颅 面生长发育作了横向研究。林久祥、张兴中等在90年代中纵向研究分析了我国儿童的 颅面生长发育。通过颅面生长发育的X线头影测量研究，明确了颅面生长发育机制， 快速生长期的年龄、性别间差异，以及颅面生长发育的预测。 牙颌、颅面畸形的诊断分析：通过X线头影测量对颅面畸形的个体进行测量分析，可了解畸形的机制、主要性质及部位，是骨骼性畸形抑或牙合性畸形，使对畸形 能作出正确的诊断，而这种诊断的依据，来源于明确了颅面软硬组织各部分间的相互关系。而对于牙颌、颅面畸形的诊断分析基础，又首先必须通过X头影测量对正常合人 颅面结构进行分析，得出正常合人各项测量的参考标准，并应用到对畸形的诊断分析中去。 确定错合畸形的矫治设计：从X线头影测量分析研究中得出正常合关系可存在 于各种不同的颅面骨骼结构关系中，而一些牙齿的位置能在一定的颌面结构下得到稳定，因而当通过测量分析牙颌、颅面结构后，根据错合的机制，可确定颌位及牙齿矫治的理想位置，从而制定出正确可行的矫治方案。 研究矫治过程中及矫治后的牙颌、颅面形态结构变化：X线头影测量亦常用作 评定矫治过程中，牙颌、颅面形态结构发生的变化，从而了解矫正器的作用机制和矫治后的稳定及复发情况。如关于口外支抗唇弓矫正器及下颌颏兜矫正器等对牙颌、颅面结构的作用及变化，都是在使用X线头影测量以后才得以明确和澄清的。 外科正畸的诊断和矫治设计：通过X线头影测量对需进行外科正畸的严重颅面 畸形患者进行颅面软硬组织的分析，得出畸形的主要机制，以确定手术的部位、方法及所需移动或切除颌骨的数量，同时应用X线头影图迹进行剪裁，模拟拼对手术后牙颌 位置，得出术后牙颌、颅面关系的面型图，为外科正畸提供了充分的根据，从而提高了其诊断及矫治水平。 下颌功能分析：X线头影测量还可以用来研究下颌运动，语言发音时的腭功能 以及息止合间隙等方面的功能分析。也有用于下颌由息止位至咬合时髁突、颌位等位置运动轨迹的功能研究。 [返回]3头颅定位X线照像和头影图的描绘 3.1头颅定位X线照像
第 35卷第 3期激光与红外 Vol . 35, No . 3 2005年 3月 LASER & I N FRARE D March, 2005 ?综述与评论? 文章编号 :100125078(2005 0320143205 光学三维轮廓测量技术进展 李永怀 , 冯其波 (北京交通大学理学院 , 北京 100044摘要 :, , , , 摄影法 , , 。 关键词 :; :A Overvi ew of Opti cal 3D Profile M easure ment L I Yong 2huai, FENG Q i 2bo (School of Science, Beijing J iaot ong University, Beijing 100044, China Abstract:An overvie w of s ome main op tical methods are p r ovided on 3D shape measure ment, that is ti m e 2of 2flight, structured light, phase measurement, interfer ometry and phot ogra mmetry . Advantages and li m itati ons are discussed, their current research focus and pers pective trend are p resented . Key words:3D measure ment; op tical method; overvie w 1引言 光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率 , 在 CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用 , 被公认是最有前途的三维轮廓测量方法。
光学三维测量技术综述 1.引言 客观景物三维信息的获取就是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节,被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、 生物与医学工程等领域有着广泛的应用[1]。 三维测量方法总的包括两大类,接触式以及非接触式。如图1、1 所示。 图1、1 三维测量方法分类 接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间,这方面的技术理论已经非常完善与成熟,所以,在实际的测量中会有比较高的准确性。但就是尽 管如此,依然会有一些缺点[2]: (1) 在测量过程中,接触式测量必须要接触被测物体,这就很容易造成被测物体表面的划伤。 (2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后,测量头有时会出现形变现象,这无疑会对整个测量结果造成影响。 (3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点,可见,其测量效率还就是相当低的。 接触式三维测量技术发展已久,应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械,并结合了当前一些比较先进技术,如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用,特别就是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中,三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个坐标轴上都可以移动,而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上,只要测量头能到达该位置,测量机就可以得到该位置的坐标,而且可以达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高,加之上述的一些缺点,广泛应用还不太现实。 非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法
现代光学三维测量原理 第1章光学三维测量基础知识 光学三维测量就是指用光学原理来采集物体表面三维空间信息的方法和技术，与传统的接触式测量相比，它非接触式的。近二十年来，随着光学技术、数字摄像技术及计算机技术的迅速发展，光学三维测量技术也获得了极大的发展，新的理论与方法不断被发现和开发，逐步解决了许多过去阻碍实际应用的问题。在1994年的国际光学学会的以信息光学的年会上，首次将光学三维测量列为信息光学前沿七个主要领域和方向之一。 1.1 光学测量的基本概念 1)光学测量——就是利用光学图像进行的测量，通过图像处理分析对目标的位置、尺 寸、形状和目标间的相互关系等参数进行测量。 2)摄影测量——通常不包括利用特殊的光学手段、如全息干涉、栅格线法等进行的光 学测量。用航空或卫星照片进行的大地测量则习惯上称为摄影测量。近景摄影测量 通常指对几十厘米到几十米距离物体的摄影测量，通常也属三维测量的范畴。 3)光学三维测量——利用光学手段和图像处理分析方法并运用计算机图形学的理论 来数字化再现物体的三维形态，在此基础上，从而可获取物体各部分间任意的相互 尺寸关系。 1.2 三维光学测量常用的方法 光学三维测量的基本方法可以分为两大类：被动三维测量和主动三维测量。 被动三维测量采用非结构光照明方式，它根据被测空间点在不同位置所拍摄的像面上的相互匹配关系，来解算空间点的三维坐标。采用双摄像机的系统与人眼双目立体视觉的原理相似，因此，该方法常用于对三维目标的识别、理解，以及位置、形态的分析，即在机器视觉（计算机视觉）领域中广泛应用。 主动三维测量采用结构光照射方式，由于三维面形对结构光场的调制，可以从携带有三维面形信息的观察光场中解调得到三维面形数据。这种方法具有较高的测量精度，因此大多数以三维面形测量为目的的三维测量系统都采用主动三维测量方式。结构光通常采用调制过的扇面激光光源和以白光为光源的投影光栅方式，又分别称为激光法三维测量和投影光栅法三维测量。激光光源具有亮度高、方向性强和单色性好，易于实现调制等优点，所以在三维测量领域得到广泛应用；白光光源的结构光照明方式具有成本低、结构简单的优点，特别在面结构光照明的三维测量中得到越来越多的应用。 1.图像分析法（Image Analysis Methods） 一个物体在两个不同位置上拍摄图像，通过确定物体同一点在不同像面上的相互匹 配关系，来获得物体空间点的三维坐标。由于匹配精度的影响，图像分析法对形状 的描述主要是用形状上的特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确地描 述复杂曲面的三维形状。
基于工业摄影与机器视觉的三维测量技术综述 摄影测量(Photogrammetry)是一门通过分析记录在胶片或电子载体上的影像来定被测物体的位置、形状和大小的科学，属于测绘学的分支学科。它包括航空摄测量、航天摄影测量和近景摄影测量等。其中，近景摄影测量是指测量范围小于100米，相机布设在物体附近的摄影测量。近年来，随着微电子和半导体技术的飞速发展，尤其是固体阵相机和计算机硬件的发展，使得工业摄影测量已进入全数字近景摄影测量时代。同时，随着机器视觉理论的迅速发展，机器视觉也逐渐发展成一门由计算机技术、控制理论、人工智能和模式识别等众多领域交叉综合的新学科。 1.三维形貌与变形测量技术简介 光学三维形貌与变形测量技术经过近年来的快速发展，涌现出多种技术及方法。其中主要有：时间飞行法、全息干涉法、莫尔条纹法、结构光方法（点、线、面）、数字摄影测量法和数字图像相关法等，下面介绍几种常用的三维测量方法，并分析在这些方面的研究发展情况。 1）时间飞行法 时间飞行法(Time of Flight)基于三维形貌对激光束产生的时间调制。原理如图1所示。激光脉冲信号从发射器发出，经待测物体表面反射后，沿近乎相同的路径反向传回接收器，检测激光脉冲从发出到接收时刻之间的时间差，就可以计算出距离。结合扫描装置使激光脉冲扫描整个物体就可以得到三维形貌数据。 图1 时间飞行法原理图
时间飞行法的分辨率约为1 mm。若采用亚皮秒激光脉冲和高分辨率的电子器件，深度分辨率可达亚毫米级。采用时间相干的单光子计数法，测量lm距离，深度分辨率可达30μm;另一种称之为飞行光全息技术的测量方法利用超短光脉冲结合数字重建，深度分辨率可达6.5μm，这种方法的优点是不存在阴影和遮挡问题。但是要得到较高的测量精度，对信号处理系统的时间分辨率有较高的要求。 2）全息干涉法 全息干涉法测量技术利用光的相干性原理，如图2所示，当两束相干性好的光束在被测物体表面相遇时，其光波发生干涉，形成的干涉条纹反映了物体的形貌信息。记录这些条纹，测量出相位差，再将相位信息转换为物体的表面形貌信息。 图2 全息干涉法原理图 全息干涉法在20世纪70年代得到快速发展，成为光学三维测量技术的一个重要分支。由于全息干涉法采用干板作为记录介质，干板曝光后需要化学处理，过程十分繁琐，因此限制了它的应用范围。 数字全息技术是利用数字光学器件取代传统光学全息中的干板来记录全息图，重建过程全部在计算机中完成，因此数字全息不仅继承了传统光学全息的特点，而且还具有以下优点：无需干板化学处理，记录过程和处理过程大大简化，再现过程全部由计算机完成，可以实时地进行图像获取和处理，便于实现自动化测量；采用
三维测量技术及设备 1.三维测量技术的发展 计算机视觉是研究视觉信息的认知过程,从信息处理层次角度来分析,包括视觉信息处理中的计算理论、表达与方法。二十世纪中期,计算机视觉这一领域开始被人们所关注和研宄,然而直到理工学院的Mary教授在70年代后期才提出了较为全面的计算机视觉系统,他是从信息处理的角度来分析,并且参照了图像处理、心理物理学、神经生理学和临床精神病学的研究成果,这一概念的提出,使得计算机视觉的发展应用开始流行。从信息处理方面来看,Mary教授为计算机视觉系统的研究分为三个层次,首先是在以低层视觉处理方式为基础处理输入的原始图像时,要使用图像处理技术;然后是在获取场景的深度信息时要采用中层视觉处理方式:最后是通过高层视觉处理方式来识别特征点,并且以此来确定被测物体的相对位置等。 二十世纪八十年代,计算机视觉的研宄进入鼎盛时期,越来越多的研究者幵始关注这一领域。近年来,在针对几何计算机视觉的研究中,人们提出了通过由多幅图像序列按照不同的理论和算法,可以将三维物体的形状和摄像机的运动状态计算出来,这一概念的提出把射影几何等复杂的数学内容引入到计算机视觉中,从而形成了所谓的“多视图几何较好的描述了视觉中物体的粗细特征,降低了对计算机视觉系统中摄像机参数要求,因此提高了计算机视觉系统对噪声的鲁棒性。在图像三维测量研究中,发达国家的研宄开始的比较早,如美国、德国、加拿大、曰本等,从五十年代计算机视觉系统的较为全面
的提出,这些发达国家经过十多年的科学研究,已经提出了许多比较新颖的测量原理和方法,我国对计算机视觉方面的研究相对较晚一些。现今三维测量方法主要可分为主动式和被动式,主动式主要通过使用专门的光源照射被测物体,例如相位测量法,结构光测量技术等;而被动式主要依靠物体周围的光线,例如摄影测量法等2007年10月24日,我国自主研发的“婦娥一号”绕月人造卫星成功发射,卫星装备有一台三线阵CCD推扫立体相机,该相机的主要功能是为了获取月球表面的三维影像,构建立体相机扫描成像模型。 2.三维测量方法及其原理 2.1接触式扫描仪 接触式测量是三维面形测量的最为传统的方法，它所采用的典型的装置就是三坐标测量机。它以精密机械为基础，综合了光电技术，计算机技术和数控技术等。三坐标测量机的工作原理是：通过对零件表面点的测量来获得零件形面上零散点的几何信息，然后通过计算，还原出零件形面的几何信息，并在这些信息的基础上，计算出零件中的几何元素尺寸和形位公差。 只是随着科技的不断进步，其中的许多方法我们已经不再使用，但是，它们是我们在三维测量领域取得更大发展的坚强基石。在此列出，仅供对三维测量发展历程的了解之需。我们要主要介绍的就是目前应用较多的测量方法和技术，以及与之相关的部分内容。它以精密机械为基础，综合了光电技术，计算机技术和数控技术等。三坐标测量机的工作原理是：通过对零件表面点的测量来获得零件形面上零散
实用：正畸常用Ｘ线头影测量标志点及平面 ?????1头影测量标志点：标志点是用来构成一些平面及测量内容的点。理想的标志点应该是易于定位的解剖标志，在生长发育过程中应相对稳定。但并不是常用的标志点均能符合这一要求，不少标志点的确定是由各学者提出的不同测量方法而定，而标志点的可靠性还取决于头颅X线片的质量以及描图者的经验。头影测量标志点可分为两类：一类是解剖的，这一类标志点是真正代表颅骨的一些解剖结构；另一类是引伸的，这一类标志点是通过头影图上解剖标志点的引伸而得，如两个测量平面相交的一个标志点。(1)颅部标志点蝶鞍点(S.sella)：蝶鞍影像的中心。这是常用的一个颅部标志点，在头颅侧位片上较容易确定。鼻根点(N.nasion)：鼻额缝的最前点。这是前颅部的标志点，代表面部与颅部的结合处。有些X线片上，此点显示不太清楚，是因为其形态不规则骨缝形成角度之故。耳点(P.porion)：外耳道之最上点。头影测量上常以定位仪耳塞影像之最上点为代表，称为机械耳点。但也有少数学者使用外耳道影像之最上点来代表，则为解剖耳点。颅底点(Ba.basion)：枕骨大孔前缘之中点。一般此点较易确定，常作为后颅底的标志。Bolton点：枕骨髁突后切迹的最凹点。(2)上颌标志点眶点(O.orbitale:)眶下缘之最低点。当病人两侧对称及在完好的定位下，左右眶点才
于同一水平，但实际上难以达到。一般X线片上可显示左右两个眶点的影像故常选用两点之间的点作为眶点，这样可减小其误差。翼上颌裂点(Ptm.pterygomaxillary fissure)：翼上颌裂轮廓之最下点。翼上颌裂之前界为上颌窦后壁，后界为蝶骨翼突板之前缘，此标志点提供了确定了上颌骨的后界和磨牙的近远中向间隙及位置的标志。前鼻棘(ANS.anterior nasal spine)：前鼻棘之尖。前鼻棘点常作为确定腭平面的两标志点之一，但此标志点的清晰与否与X线片的投照条件有关。一般不作近远中长度测量所用。后鼻棘(PNS.posterior nasal spine)：硬腭后部骨棘之尖。上齿槽座点 (A.subspinale)：前鼻棘与上齿槽缘点间之骨部最凹点。此点仅作为前后向测量所用。上齿槽缘点(SPr.superior prosthion)：上齿槽突之最前下点。此点常在上中切牙之牙釉质-牙骨质界处。上中切牙点(UI.upper incisor)：上中切牙切缘之最前点。一般上中切牙的测量有两种方法，一种是以此点与根尖相连作为中上切牙牙长轴来作为角度测量的一个平面，另一种是测量此点与其他结构间的距离。(3)下颌标志点髁顶点(Co.condylion)：髁突的最上点。关节点(Ar.articulare)：颅底下缘与下颌髁突颈后缘之交点。关节点常在髁顶点不易确定时而代替髁顶点。下颌角点 (Go.gonion)：下颌角的后下点。可通过下颌支平面和下颌平面交角之分角线与下颌角之相交点来确定下齿槽座点
光学三维测量技术综述 Prepared on 24 November 2020
光学三维测量技术综述 1．引言 客观景物三维信息的获取是计算机辅助设计、三维重建以及三维成像技术中的基础环节，被测物体的三维信息的快速、准确的获得在虚拟现实、逆向工程、生物与医学工程等领域有着广泛的应用。 三维测量方法总的包括两大类，接触式以及非接触式。如图所示。 图三维测量方法分类 接触式的三维测量方法到目前为止已经发展了很长一段时间，这方面的技术理论已经非常完善和成熟，所以，在实际的测量中会有比较高的准确性。但是尽管如此，依然会有一些缺点： (1) 在测量过程中，接触式测量必须要接触被测物体，这就很容易造成被测物体表面的划伤。 (2) 接触式测量设备在经过长时间的使用之后，测量头有时会出现形变现象，这无疑会对整个测量结果造成影响。 (3) 接触式测量要依靠测量头遍历被测物体上所有的点，可见，其测量效率还是相当低的。 接触式三维测量技术发展已久，应用最广泛的莫过于三坐标测量机。该方法基于精密机械，并结合了当前一些比较先进技术，如光学、计算机等。并且该方法现在已经得到了广泛的应用，特别是在一些复杂物体的轮廓、尺寸等信息的精确测量上。在测量过程中，三坐标测量机的测量头在世界坐标系的三个
坐标轴上都可以移动，而且测量头可以到达被测物体上的任意一个位置上，只要测量头能到达该位置，测量机就可以得到该位置的坐标，而且可以达到微米级的测量精度。但由于三坐标机测量系统成本较高，加之上述的一些缺点，广泛应用还不太现实。 非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法等非光学的非接触式三维测量方法也都可以测量物体的内部及外部结构的表面信息，且不需要破坏被测物体，但是这种测量方法的精度不高。而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD /CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用,被公认是最有前途的三维轮廓测量方法。由于光不能深入物体内部，所以光学三维测量只能测量物体表面轮廓，因此，本文中所言光学三维测量即指光学三维轮廓测量，此后不再单独解释。 光学三维测量技术总体而言可以分为主动式光学三维测量和被动式光学三维测量，根据具体的原理又可以分为双目立体视觉测量法、离焦测量法、飞行时间法、激光三角法、莫尔轮廓术和结构光编码法等。下面就刚刚提到的几种光学三维测量技术的原理进行逐一讲解。
浅谈曲面测量技术综述 摘要：简要介绍了目在曲面测量中所采用的各种测量方法，并对它们的特点及适用场合进行了详细的比较。 关键词：反求工程；接触式测量；逐层扫描；曲面 近十年来，随着航天、航空、造船、汽车和模具工业的飞速发展，对产品性能、外形等方面的要求越来越高，使得自由曲面零件在现代工业中得到了越来越广泛的应用而对该类零件的精度检验和反求都离不开对曲面的测量。伴随反求工程(反求工程即逆向工程，逆向工程(Reverse Engineering)是在没有设计图纸或者设 计图纸不完整以及没有CAD 模型的情况下，按照现有零件的模型（称为零件 原形），利用各种数字化技术及CAD 技术重新构造原形CAD 模型的过程)的兴起，复杂曲面测量技术研究的目的不只是为了评定曲面的质量而且为了获取曲面的几何形状信息。曲面——曲线——点集——测点集的分解次序是实现复杂曲面测量的基本思想。 目前采用的RE 测量方法主要有三种，分别为接触式测量法、非接触式测 量法和逐层扫描法。 1.接触式测量法: RE 传统上使用三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)法，又称探针扫描，它主要应用于由基本的几何形体（如平面、圆柱面、圆锥面、球面等）构成的实体的数字化过程，适用于测量实体外部的几何形状。采用该方法可以达到很高的测量精度（±0.5ìm），但测量速度很慢，并易于损伤探头或划伤被测实体表面，而且价格较高，对使用环境也有一定要求。采用这种方法会使测量周期大大延长，从而不能充分发挥快速成形技术“快速”的优越性。一般来说，CMM 有两种不同的测量方式:点对点测量（Point to Point Method）、截面扫描（Section Scanning Method）。 2.非接触式测量法: 非接触式数据采集方法有光学测量、激光三角形法、超声波测量、电磁测量等方式。根据测量原理的不同，以激光作为基本光源，分为光点、单线条、多光条等结构模式，采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，将其投射到被测物体表面，通过被测物体基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的信息，依据光点或光条在物体上成象的偏移，非接触式数据采集方法可探测到被测机械测头难以测量到的部位，能够真实反映被测物体表面的外形。非接触测量一般具有较高的测量速度并且不会划伤被测零件。非接触式数据采集方法由于没有力的作用，采用非接触式探头测量，适用于测量较柔软物体。对易变形的零件、精度要求不高的零件、要求海量数据的零件、不考虑测量本钱及其相关软硬件的配套情况下的测量，适合运用非接触式数据采集方法。 3.逐层扫描法: 逐层扫描法是RP 生长成型的逆过程，主要有工业CT(Computed Tomography)扫描、核磁共振和自动断层扫描。 工业CT扫描和核磁共振根据CT 图像来重构三维模型，适合于测量被测实体