文 献 综 述
一、研究背景和研究意义
三维形貌测量技术目前已在航空航天、武器装备、汽车等领域得到了广泛应用，这些领域的核心零部件（如发动机缸体缸盖、叶轮叶片、进排气管道等）大多结构复杂、曲面不规则，在其设计制造过程中，采用三维形貌测量技术不仅能够充分利用现有的设计制造成果，提高设计速度、缩短开发周期，还可精确控制产品质量，降低生产成本[1]。
三维形貌测量可以分为接触式测量和非接触式测量，接触式测量主要依靠标定的被动机械臂直接接触物体表面，逐点对轮廓数据进行采集，对其形貌信息进行三维测量。这种方法的优点是测量精度高，可达到微米级别。但是其测量效率低、不适合形态复杂物体测量，对测量环境要求较高。非接触式测量主要指依靠光、声、电磁学等方式接触物体表面以获取物体三维信息的方法[2]。而其中尤其以光学三维测量方法的应用最为突出。光学三维测量方法由光源向被测物体投影按照一定规则和模式编码的图像，形成主动式三维形态测量，通过对拍摄到的投影图像进行解码可以建立相机平面和投影平面中点的对应关系，利用已标定好的相机和投影仪光学内外部参数，即可求出图像中所有点的深度信息。而现有的可视化研究工作大多是基于二维图像分析展开的，通过对动态过程拍摄记录下瞬间的二维图像，然后对这些二维图像进行相应分析来完成研究工作。这些工作通常是运用高速摄影技术[3]，高速成像设备[4]等记录动态过程场景，然而这些方法和技术都不能获取动态或瞬态过程中某些时刻的状态。同时，近年来许多应用领域对三维形态测量技术的性能要求也变得越来越高，高速、实时以及运动物体的三维形态测量技术正在变成三维测量技术的发展方向，并充分体现在工业检测，目标识别，数字化娱乐等多个行业领域。
二、国内外研究现状
结构光照明三维测量技术通过对空间物体从不同角度进行拍摄，根据物体在不同图像平面坐标系中的坐标以及摄像机之间的空间标定关系，基于三角变换原理对空间物体进行三维重构。当对所采用的技术施加诸如非接触式测量之类的附加限制时，可能的候选方法就主要为结构光照明三维测量技术。S.Vander Jeught和J.J.J.Dirckx在他们最新的研究报告中介绍了结构光轮廓测量系统的最新技术以及硬件技术和编码策略的主要进展[5]。编码结构光被认为是恢复物体表面最可靠的技术之一，该技术投射光图案并从一个或多个视点观看照明场景。由于图案被编码，因此可以容易地找到图像点与投影图案点之间的对应关系。解码的点可以被三角化并且获得3D信息。O.Hall-Holt和S.Rusinkiewicz提出了一种方法来实现结构光范围扫描，使用标准的摄像机和DLP投影仪，在10厘米的工作体积内以60赫兹的精度产生100米的精确图像[6]。
为实现运动物体三维测量或高速测量，B.Harendt等人使用了两个同步相机进行了基于三角测量的在动态场景中的三维形状测量，这种技术的根本挑战是在两个相机中找到属于同一个目标点的图像点，解决这个问题有很多方法，传统的空间技术通过仅使用每个相机的单个图像，由此评估位于空间域中的特征。但是由于这种测量原理在匹配的图像区域中假定空间不变，所以三维重建的准确性可能较低，并且通常不能满足空间不变这个假设。B.Harendt等人所提出的技术分别针对每个图像点调整相关的空间和时间支持与测量对象的速度的比率。因此，快速移动的物体将具有高度的空间支持，而慢速移动的或静态的物体将具有高度的时间支持。但是该方法对于快速移动对象的改善较低，在快速移动的情况下，可能出现运动伪影[7]。而Z. Li等人提出了将传统的双目立体视觉问题扩展到时空领域，即将一对视频流同时进行匹配，通过利用空间和时间的外观变化，减少了歧义并提高了准确性[8]。
在结构光轮廓测量上，一些研究人员采用了FTP[9,10]，其中只有一个单一的条纹图案用以取回相位，在这方面的深入研究上，Q.Zhang和X.Su提出了基于FTP的振动鼓面的光学三维形状测量[11]。然而，由于傅里叶变换的全局特性，在任意像素处计算的相位取决于整个条纹图案，使得FTP方法受到由物体纹理和物体斜率变化引起的频带重叠问题的困扰[12]。另一个众所周知的用于三维形貌测量的方法是相移轮廓术（PSP）[13], 与FTP相比，PSP具有精度更高，分辨率更高，对环境、光不敏感的优点[14,15]。C.Zuo等人首先引入了一种实时三维形状测量模式策略，它采用四种模式来检索表面不连续和孤立物体存在的绝对相位，测量时间和误差可以大大减少了，但是该方法却会受到正弦模式的周期数，系统的噪声水平以及不稳定的环境光等因素的严重影响[16]。P.Cong等人提出了一种傅里叶辅助相移（FAPS）方法来进行精确的动态三维感测[17], 对于包含多个孤立曲面复杂场景，可以有效地解决相位模糊问题, 但是在平行空间展开可能会遗漏一些没有标记的微小孤立表面。
结构光三维测量技术中的一个重要步骤在于光投影。早期，X.Yin等人提出了一个声栅条纹投影理论来更清晰可靠地描述光学系统。基于此理论，他们对声光栅条纹投影仪（AGFP）进行了优化，得到了具有良好正弦特性和高强度的光的条纹，条纹可以以前所未有的速度，重复性和准确性进行改变。因此，AGFP是适用于高速高精度三维测量的结构光投影仪。然而，投影机有其自身的不足之处，如AO晶体声场不均匀，光线弱[18]。而近期，S.Feng等人提出了一种快速三维测量移动高反射物体形状的条纹投影技术[19],通过将标准的三步相移条纹图案与数字散斑图像相结合，仅用四个投影图案就可以有效地实现有光泽表面的动态三维重建。E.B.Li等人提出了一个基于声光调制的条纹投影装置，证明了通过使用两个AOM，可以产生具有可变周期和相移的固定条纹图案。Y.Wang等人提出了一种基于最佳脉宽调制（OPWM）技术的多频移相（MFPS）方法，并开发了一个5000赫兹的条纹投影系统[20]。M.Schaffer等人提出了一个斑点图案投影系统，它能够每秒投射多达500种不同的图案,与高速摄像机相结合,能够每秒钟收集207个具有叠加结构光的物体的立体图像对,根据这些数据，可以生成每秒17个独立的3D重建。另外，通过使用滑动窗口，可以为每个拍摄的每个新的立体图像对计算新的3D对象状态，因此可以每秒生成多达207个不同的测量的3D场景[21]。
而在对解缠技术的分析和研究上，C.Zuo等人对多频方法、多波长方法和数理论方法三种解缠方法进行了详细的调查和比较，并首次给出了不同时相相位解缠算法的随机噪声模型[22]。T.Tao等人提出了一种使用三个复合条纹的多视点相位解缠方法[23]。与传统技术相比，该系统存在以下几个优点：（1）由于不需要额外的图案，对运动的敏感性降低;（2）相位解缠的鲁棒性提高，这个特性对于高精度测量是有用的;（3）没有复杂的算法，保证了系统的高速运行。为了加速计算，所有这些步骤都是在GPU上实现的，三维重建的速率达到了120 fps，分辨率为644times;484。而C.Guan等人介绍了PMP技术中复合图案的编码和解码过程，在他们的系统中，一个复合PMP图案的框架被形成并投影到目标物体上，对反射的图像进行解码以检索多个PMP帧，并且计算目标深度失真的相位分布[24]。
- 结论
三维形貌测量技术作为真实三维世界的重要信息获取手段，为三维建模、形貌检测、定量分析物体几何轮廓提供数据基础，近20年以来，该技术发展迅速并很快投入到了工业测试之中。现代工业界面标准的提高和摄像机与计算机带宽的增加创造了价格合理且易于使用的高速摄像机（采集率gt; 100FPSgt;100FPS）。另外，当前计算机系统的多核体系结构可以被许多方法有效利用，并且现代图形处理单元（GPU）的并行计算能力通过诸如OpenCL和CUDA的简单接口语言可以实现实时处理， 基于结构光照明的超快三维形貌测量在基于这些设备的发展上得以展开研究。但是，目前该方式仍然存在三维重建准确性较低，光投影技术不够完善，解缠技术较为复杂，以及测量方式易于受到外界光及噪声干扰的缺点，同时在进一步研究动态物体的三维测量时，我们还发现动态三维测量的效率较低、精度不足以及易于受到运动干扰等方面的问题。因此，我们拟开展基于数字图像相关的立体匹配工作，该技术可以精确地匹配由左右相机捕获的两个图像中的同一个物理点，通过获得对于左侧和右侧图像中同一物理点的差异的最佳估计，结合高速信号采集与处理实现10,000幅每秒的超快三维数据获取，并综合相机标定数据来进行三维重构。
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