16、三维成像技术全解析

三维成像技术全解析

1. 引言

电荷耦合器件（CCD）相机的电子成像和数字图像处理在科研、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似乎正处于一个同样迅猛且影响深远的发展阶段。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，在安全区域监控、三维物体识别与导航以及虚拟现实等领域也同样不可或缺。

三维光学形状测量能够提供物体的绝对三维几何信息，这些信息应不受物体表面反射率、物体与传感器的距离以及光照条件的影响。因此，三维光学传感器能够提供物体的形状和物理尺寸，且这些信息具有旋转、平移和光照不变性。

众多已知的三维传感器基于三种不同原理：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。这三种原理在测量不确定度随物体距离的变化规律上有所不同，测量不确定度范围从约一纳米到几毫米不等，具体取决于原理和测量范围。

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 ：通常通过已知的光学基线和指向未知点的相关侧边角度来确定三角形内的未知视觉点。
- 类型II：粗糙表面上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：光滑表面上的经典干涉测量 ：通过飞行时间测量深度，需要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。

这三种原理的物理可实现测量不确定度δ