• 光学三维测量是什么？
  • 光学三维测量时通过运动适当的光学和电子仪器非接触地获取被测物体外部形貌的方法和技术。
  • 光学三维测量是指对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面点的三维空间坐标的一项技术。
• 有什么用？
  • 光学测量在工业自动检测、产品质量控制、逆向设计、生物医学、虚拟现实、文物复制、人体测量等众多领域具有广泛应用。

1、工业自动检测

工业产品的检测是工业生产流程中一个重要的步骤。在工业生产流程中，产品中会出现合格品和不合格品，工厂必须检测出不合格的产品，避免其流入市场。而以往全靠人工检测会消耗大量的人工成本，且检测效率低下。而随着技术的发展，利用机器视觉来进行工业自动检测的检测精度高，自动化程度高，可以为企业节省大量的人工成本，以及大大提高生产的效率。因此机器视觉在工业检测领域受到了广泛的关注。

武汉森赛睿公司在瑕疵检测方面，提供了个性化解决方案，主要包括：

1. 定位。指引机器人或机械臂进行精准定位。
2. 测量。测量产品的尺寸和间距是否满足生产工艺的要求。
3. 瑕疵检测。检测产品表面划痕、印刷错误、脏污等大部分工厂实际生产中遇到的问题。

2、产品质量控制

产品质量控制不同于工业自动检测，工业自动检测是指产品在生产完毕后，流入市场之前进行的最终检测，而产品质量控制是在产品的生产过程中为达到质量要求而采取的控制手段，比如过程控制。

通常在产品质量控制中会设置若干个质量控制点，在这些控制点上对产品的质量的进行检验，检验方法分为：

• 计数检验：是对缺陷数、不合格率等离散变量进行检验；
• 计量检验：是对长度、高度、重量、强度等连续变量的计量。

在检测到质量问题后，采取相关的纠正措施。

而在检验当中，就用到了视觉的检测技术。

3、逆向设计

逆向设计过程是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理)，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的三维CAD模型（曲面模型重构），并进一步用CAD/CAE/CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。

和逆向设计对应的，显而易见是正向设计，正向设计也是早期设计师在设计产品造型时所采用的方法。正向设计的一般流程是概念设计 →CAD/CAM系统 →制造系统→ 新产品。

那为什么会出现逆向设计呢？正是因为正向设计存在不足之处。正向设计过程难度系数大、周期较长、成本高、产品研制开发难。

逆向设计通常是根据正向设计概念所产生的产品原始模型或者已有产品来进行改良，通过对产生问题的模型进行直接的修改、试验和分析得到相对理想的结果，然后再根据修正后的模型或样件通过扫描和造型等一系列方法得到最终的三维模型。其一般流程是产品样件 →数据采集→ 数据处理CAD/CAE/CAM系统 → 模型重构 →制造系统→ 新产品。其中数据采集、数据处理、模型重构是产品逆向设计的三大关键环节。

数据采集数据采集(样件的表面数字化)是进行产品逆向设计的第一步。一般而言，数据采集有接触式和非接触式两种测量方式。

接触式测量应用最广泛的就是20世纪60年代发展起来的高效精密的三坐标测量机，接触式测量对物体的表面的颜色和光照没有要求，因此物体边界的测量相对精确，但对软质材料适应差且速度慢。

非接触式测量根据原理的不同，可以分为三角形法、结构光法、立体视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MR测量法、超声波法和层析法。通常使用非接触式测量在采集实物模型的表面资料时，采集速度快，可形成“点云”资料，缺点是精度较低而且对样件表面和光照有较高的要求。

目前国际市场上有很多逆向设计的应用软件，比如美国Imageware公司的imageware、英国Renishaw公司的TRACE等，这方面美英两国做的比较好，德国的NX和发过的CATIA和Solidworks也可以做逆向设计。

imageware是专门用来做逆向设计的，功能非常强大，可以直接对点云数据进行曲面重建。

有人说逆向设计和逆向工程是两个概念，但笔者认为这两者概念上可以略有差异，但其实质上做的事情基本上是一致的。

4、生物医学

生物医学是一门庞大而综合的学科，其中医学图像分析已成为医学研究、临床疾病诊断和治疗中一个不可获取的工具和技术手段。比如新冠病毒nCoV感染的排查中，医学影像诊断发挥了重大作用，为抗疫工作提供了诸多便利。

现代医疗体系中，很多的病理诊断都是来自于医生的经验总结，这也造成客观的医学诊断对人存在很大的依赖性，而基于计算机视觉技术的医学影像分析可以很好的弥补医生主观判断的不足。

医学图像分析可以用于病变检测、病理图像分割、病理图像配准、基于病理图像的三维建模与仿真等。

目前国内知名的阿里医疗、腾讯优图都有专门做AI医疗。未来智能问诊、互联网医疗中，很大一部分会是医学图像的AI解读。此外，生物医学图像处理还有一个很大的潜在爆发需求，就是各种生物学实验的成像分析。比如荧光蛋白成像等分割分类等。因此，计算机视觉和机器学习在医学影像分析中的应用具有很大的未来发展空间。

5、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）

VR：将我们从现实世界带入虚拟世界。
AR：将虚拟世界的内容叠加在现实世界。
MR：在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。如果一切事物都是虚拟的那就是VR的领域了。如果展现出来的虚拟信息只能简单叠加在现实事物上，那就是AR。MR的关键点就是与现实世界进行交互和信息的及时获取。

以上技术都用到了计算机视觉的技术，比如VR/AR的交互渲染效果需要依靠于计算机视觉的技术。

6、文物复制

考古现场发掘文物需要做好记录工作，已发掘的文物需要做好保存和记录工作，传统的文物记录和保护的方法一般是文字、拍照和绘图，但是这些方法存在一定的局限性，比如记录速度慢，数据采集困难等。而光学三维测量可以对文物的三维信息进行扫描并进行数字化保存，精度高、速度快、信息更加全面，且数据不易丢失。

7、人体测量

三维人体测量是利用光学测量技术进行三维人体表面轮廓的非接触自动测量。人体全身(半身)扫描系统通过计算机对多台光学三维扫描仪进行联动控制快速扫描，在3—5 秒内对人体全身或半身进行多角度多方位的瞬间扫描，再通过计算机软件实现自动拼接，获得精确完整的人体点云数据，整体精度达到0.5mm。

人体三维扫描系统也称三维人体测量系统，人体数字化系统，广泛应用于服装，动画，人机工程以及医学等领域。是发展人体（人脸）模式识别，特种服装设计（如航空航天服，潜水服），人体特殊装备（人体假肢，个性化武器装备），以及开展人机工程研究的理想工具。

参考文献

[1] Granshaw S I . Close Range Photogrammetry: Principles, Methods And Applications[J]. Photogrammetric Record, 2010, 25(130):203-204.