光學(xué)測量技術(shù)知多少｜三角測量法與結(jié)構(gòu)光三維掃描

從古老三角法到現(xiàn)代高精尖掃描儀

當(dāng)我們對對物體進(jìn)行三維測量時，一個非常重要的話題，便是如何捕捉被測點的空間三維坐標(biāo)信息，而比較常用的方法就是三角測量法。人類對于三角測量法的應(yīng)用由來已久，早在古埃及時期人們就已經(jīng)使用三角測量法來進(jìn)行測繪。而三維掃描儀，作為一類常見的光學(xué)測量儀器，其應(yīng)用的主要測量方法即三角測量法。

三角測量的實現(xiàn)

三角測量的基本構(gòu)成要素分為測站，觀測角和測站間距，根據(jù)三角形的基本性質(zhì)即可計算出被測物體的距離。而在三維掃描儀中，三角測量由多個視圖來完成，由多個相機(jī)中的照片來構(gòu)成觀測站，由對掃描儀的標(biāo)定獲得相機(jī)間距和夾角，從而構(gòu)成三角計算的基本要素。那么接下來的問題就是在多視圖的三角計算中，如何確定照片中哪個點是來自于物體表面上同一個位置的，即多視圖中的同源點。為了克服這一問題，也就此發(fā)展出了各種不同的方法來實現(xiàn)對物體表面的“編碼”過程。目前常見的兩種方法即為面結(jié)構(gòu)光掃描和線激光掃描。

面結(jié)構(gòu)光掃描：精密的“光柵編織者”

面結(jié)構(gòu)光掃描儀使用投射出來的光柵條紋來對所投射光線范圍內(nèi)的物體表面進(jìn)行編碼。常用的編碼方法有，格雷碼，相移法，外差法等。為了提高對于投影識別的精度，表面“編碼”的計算常常以投射多幅圖案的形式進(jìn)行，即所謂“時域編碼”，并進(jìn)一步將多種方法相互融合，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字光線處理技術(shù)可以實現(xiàn)高精度的表面數(shù)據(jù)計算，實現(xiàn)工業(yè)級精密測量。這一技術(shù)具有精度高，表面數(shù)據(jù)獲取效率高，溯源性強的特點。

線激光三維掃描：便攜的“激光畫師”

線激光三維掃描儀主要使用激光線來進(jìn)行物體表面編碼。與面結(jié)構(gòu)光不同，線激光由于在整個面上并不連續(xù)，因此單次拍攝所投射出的激光線即可實現(xiàn)表面數(shù)據(jù)的計算。連續(xù)不斷地拍攝激光線所“掃過”的位置即可實現(xiàn)三維掃描。由于其投射的激光線區(qū)域相對較小，對激光器功率要求更低，單次拍攝時間較短，因此可以實現(xiàn)更小體積的手持式掃描。其具有便攜，使用方便，適用場景廣泛的特點。

ZEISS ATOS家族

ZEISS ATOS家族產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)光三維掃描領(lǐng)域的佼佼者，其結(jié)構(gòu)光技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的經(jīng)驗積累，使其展現(xiàn)出出色的精度，高細(xì)節(jié)分辨能力，良好的設(shè)備穩(wěn)定性，使其獲得了眾多用戶的認(rèn)可。而面結(jié)構(gòu)光的另一大問題在于如何使得投射出的光線在更大的范圍內(nèi)仍然保持高亮度和均一性。ATOS家族產(chǎn)品中除了使用LED光源外，也克服了激光技術(shù)的一些問題，采用面激光實現(xiàn)了更高亮度的條紋投影，即ATOS 5X三維掃描儀，實現(xiàn)更大范圍的快速掃描。

由于面結(jié)構(gòu)光三維掃描的“時域編碼”的特點，其更容易實現(xiàn)多圖像的采集，因此其對于部件特征的計算方法也更為多樣，如“灰度值特征”等方法都是基于面結(jié)構(gòu)光所開發(fā)出來的。面結(jié)構(gòu)光三維掃描儀也更容易實現(xiàn)對于薄壁部件的特征采集，結(jié)合其大測量范圍，可以更加快速地獲取完整的表面數(shù)據(jù)。因此廣泛地應(yīng)用于包括汽車制造，消費電子，航空航天等諸多有著高質(zhì)量要求的行業(yè)。