[发明专利]一种三维扫描仪测量方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于三维扫描测量技术领域，涉及一种三维扫描仪测量方法及其装置。 

背景技术

三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。然而传统的三维扫描设备多为接触式扫描器或激光扫描仪，采用接触式测量速度慢、机械结构复杂、容易损坏物体表面特性，越来越不能满足现代测量的需要，使其应用受到限制。 

为解决接触式测量所存在的不足，光学方法三维面形的测量研究日益受到人们的重视。在发展史中所提到的相关研究成果中，虽然克服了接触式测量中机械探头的某些缺陷，但却未能完全摆脱其机械结构复杂，测量范围受到机械装置大小限制，以及逐点测量使得速度慢等不足。同时光电方法测量三维面形受到物体表面特性（如高度突变、阴影和反射率不足）的不均匀等影响，导致光信号处理困难。因此到目前为止，光电方法测试面形轮廓的产品还很不成熟，上市的产品也没有达到人们的要求。 

为解决光电方法测量三维面形所存在的不足，三维测量从原来的三坐标测量机，发展到用单条纹移动投影法；八十年代初期Takeda等人采用了光栅照射法，利用变形光栅产生的莫尔条纹对待测面形进行调制从而获得物体面形信息；1986年Yoshizawa等人提出了变形光栅投影法；从该法引出了后来的傅里叶变换测形术（FTP），相移莫尔形貌术（PMT），余弦空间相位检测术（SPD），多步光栅相移术（MPGP）。但是这些方法测量的面积，精度有限，并且需多幅采样图，不利于动态测量。随着计算机和CCD等器件的发展，1994年到1995年出现的一 步光栅相移术（OPGP）为解决上述问题开创了新局面。由此引起了基于结构光，利用光学，计算机图像采样和处理技术进行相位测试及图模重建的研究。形成了一系列的三维测量方法，目前采用的三维测量术主要有以下几种： 

（1）飞行时间法：飞行时间法可分为脉冲调制和相位调制。脉冲调制法是测量系统发射光脉冲到被测物体表面，经其反射后被传感器接收，测出光脉冲飞行时间，根据光速即可计算出其飞行距离。测量精度主要依赖于接收通道带宽、起止激光脉冲的鉴别和时间间隔测量，而时间间隔的精确测量是影响精度的主要因素。由于相位测量只有在2π内才是单值，为保证测量的精度和测量范围，相位法测距采用多个调制频率。影响测量精度的因素包括调制频率、接收功率变化、频漂及信噪比。采用飞行时间法虽然共轴的光源和发射波光束保证不存在阴影和盲区，不需要图像处理，适用于大范围测量。但是测量精度难以得到保证。 

（2）三角测量术：三角测量顾名思义就是利用光线与物体的三角关系的一种测量方法，它是一种传统的测量方法，已广泛应用于大地测量等许多领域。三角测量术的特点是方法简单，对设备和环境的要求比较低。它既可进行逐点或逐线测量，也可进行全场测量，这取决于投影到待测物体上的光图案是光电、光线还是光栅，但是光强中心难以确定，由此造成较大测量误差。 

（3）莫尔轮廓术：这种方法是上世纪70年代发展起来的一种基于光栅阴影法测量技术，其原理是以一块标准光栅放于物体前面，光源照射到光栅上，在物体上形成随着物体轮廓调制的变形光栅，标准光栅和变形光栅形成莫尔条纹。在一定条件下，这种条纹既是被测物体表面轮廓线的等高线。但这种方法遇到条纹级别难以判断和对被测物体凸凹难以判定等困难，使其计量不确定性和自动化处理较难实现，不适合表面复杂的物体测量。 

（4）相位轮廓术：相位轮廓术是基于直接分析变形光栅，通过对条纹进行正弦或余弦拟合求取相位，由于该相位包含了物体表面轮廓信息，由此求出物体三维坐标值，其优点是不需要判断被测物体的凸凹和条纹级次，测量精度高。但相位的解调较复杂，且受物体表面 特性影响较大。