16、三维成像技术：原理、应用与挑战

三维成像技术：原理、应用与挑战

1. 引言

电荷耦合器件（CCD）相机的电子成像和数字图像处理技术在科研、工业生产、通信和消费品等领域得到了广泛应用。如今，三维图像采集和处理技术正迎来迅猛且意义深远的发展。快速、非接触式的光学形状测量在工业检测、自动装配中的机器人视觉以及逆向工程等方面具有重要意义，同时在安全区域监控、三维物体识别和导航以及虚拟现实等领域也不可或缺。

三维光学形状测量能够提供物体的绝对三维几何信息，且不受物体表面反射率、与传感器的距离以及光照条件的影响。基于对测量不确定性物理原理的理解，我们可以设计出接近测量极限的最优传感器，并评估现有传感器的性能。已知的众多三维传感器主要基于三种不同原理：三角测量、飞行时间测量（TOF，包括宽带干涉测量）和经典干涉测量。这三种原理的测量不确定性随物体距离的变化规律各不相同，测量不确定性范围从约一纳米到几毫米不等。

2. 三维传感器的特性

2.1 深度传感的基本原理

光学形状测量基于三种不同原理：
- 类型I：三角测量 ：通过已知的光学基线和指向未知点的相关侧面角度来确定三角形内的未知视觉点。
- 类型II：粗糙表面的飞行时间测量和干涉测量 ：连续波（CW）和脉冲飞行时间技术测量调制光信号包络的飞行时间（群速度）。
- 类型III：光滑表面的经典干涉测量 ：通过将从三维物体反射的波前与参考波前进行相干混合和相关来测量深度。

这三种原理的物理可实现测量不确定性δz与距离z的缩放关系不同：
- 类型I：δz ∝ z²