导读

合金、碳纤维、高分子聚合物等多类非漫反射表面材料，被广泛应用在航空、航天等军事领域及汽车、智能制造等民用领域，其表面几何量的高效、高精度检测是制约行业快速发展的关键问题之一。结构光三维测量方法凭借其非接触测量的特性脱颖而出，但现行校准规范均为针对漫反射表面的有效校准，忽视多类非漫反射表面测量需求。本文从光学特性角度定义多类非漫反射表面，设计标准器并给出校准方法，实现了对结构光三维测量系统多类非漫反射表面几何参数测量能力的校准，在高端工业制造领域具有广泛的工程应用价值。

同行评议

该研究紧扣高端工业制造领域中多类非漫反射表面（高反光、半透明、高动态范围反射率表面）的高精度测量需求，针对现有国内外校准标准（如 VDI/VDE 2634、JJF1951-2021）仅适配漫反射表面的局限，构建了分场景的校准标准器与校准方法体系，研究背景明确、工程导向性强，选题具有重要的实践价值与学术意义。文中系统划分了三类特殊表面类型，针对性设计校准方案，形成了可操作的技术流程，整体技术路线清晰、内容架构完整。创新方面，该研究突破了传统漫反射校准标准的适用边界，首次围绕三类非漫反射表面构建 “表面类型 - 专属标准器 - 校准方法” 的完整体系，填补了现有校准技术在细分场景的空白，创新点突出且具有系统性。

^{多类非漫反射表面结构光三维测量系统校准方法}

作者：赵慧洁¹，杨旭²，李翔²，姜宏志²，李旭东^2* 

作者单位：1.北京航空航天大学 人工智能研究院；2.北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院

摘  要：国内外现行的结构光三维测量系统校准规范中，未对被测物表面为多类非漫反射表面情况下的校准方法进行规定，不能完全满足实际校准需求。针对此问题，本研究团队分析结构光三维测量系统实际校准场景，从光学特性角度定义半透明表面、高反光表面以及高动态范围反射率表面，设计不同表面适用的标准器，根据实际需求具体给出校准方法，实现了对结构光三维测量系统多类非漫反射表面几何参数测量能力的校准。本研究团队提出的多类非漫反射表面结构光三维测量系统校准方法是对现行结构光三维测量系统校准方法的补充及完善，为推动结构光三维测量技术向精密化、标准化方向发展起到了重要作用。

关键词：多类非漫反射表面；结构光三维测量；测量精度；半透明；高反光；高动态范围反射率；标准器；校准方法

文章主要内容

本文探讨并研究了三种典型材料表面：半透明表面材料、高反光表面材料以及以及高动态范围反射率表面材料，以其在结构光三维测量手段下的光学特性进行分析定义，设计专用标准器，根据实际需求有针对性地给出多类非漫反射表面结构光三维测量系统校准方法。

1 多类非漫反射表面定义及标准器设计

以半透明材料为例：半透明表面为材料透光率在10% ~ 90%之间的物体表面。具有特性如下：1）入射光线可通过半透明表面，但无法完全穿透；2）在结构光投射下，穿透半透明表面的光线会产生次表面散射效应。

考虑不同测量场景的差异性，设计半透明球标准器、半透明球棒标准器和半透明球⁃平面组合标准器，分别用于结构光三维测量系统半透明曲面探测能力、半透明表面距离探测能力和半透明平面探测能力的校准。

表1　半透明球标准器

Tab.1  Translucent sphere standards

表2　半透明球棒标准器

Tab.2  Translucent ball bar standards

表3　半透明球⁃平面组合标准器

Tab.3  Translucent sphere⁃plane combined standards

图1　球⁃平面组合标准器

Fig.1  Sphere⁃plane combined standards

2 多类非漫反射表面校准原理及方法

以高反光表面材料为例，设计高反光平面标准器和高反光中空角锥标准器，分别用于结构光三维测量系统高反光平面探测能力和多次反射表面测量能力的校准，并以设计的标准器为依据，提出基于标准器的校准方法。

2.1 高反光平面标准器校准法

测量系统光轴平行于z轴方向，标准平面应在所有测量位置垂直于xoz平面。将系统测量范围划分为8个接近的栅格。当测量范围为长方体时，划分方式如图2所示。如果测量范围不是长方体，栅格也应与长方体划分相对应。标准平面至少在测量空间的6个不同位置安装，如图2所示。

在图2的位置1 ~ 位置3中，标准平面垂直于z轴，长边对齐x轴；在位置4 ~ 位置5中，标准平面垂直于xz平面对角线，长边平行于该对角线；在位置6中，标准平面垂直于xyz空间对角线，长边平行于该对角线。

图2　标准平面的推荐排列

Fig.2  Recommended arrangement of the planar standards

图9　测量方向示意图

Fig.9  Schematic diagram of measurement directions

结论

针对目前结构光三维测量系统校准规范未涵盖被测物表面为多类非漫反射表面情况下的校准方法的问题，设计了半透明表面、高反光表面及高动态范围反射率表面标准器，具体介绍了各标准器的材质、加工工艺、尺寸大小等参数信息，根据实际需求给出多类非漫反射表面结构光三维测量系统校准方法，实现高精度量值溯源。研究成果为推动结构光三维测量系统在高端工业制造领域的广泛应用提供了重要支撑。

需要指出的是，本文设计的标准器以及提出的方法只对应适用于文中提出的可定义的被测表面情况下的校准，未来需要针对被测表面具有其他特殊性质（例如物体厚度值极小、光学特性更加复杂等）情况下的校准方法进一步开展研究。

作者简介

赵慧洁，教授，博士，主要研究领域为新型光电探测与载荷技术、高光谱遥感成像建模与仿真、定量化遥感反演与应用、近景摄影测量、精密光电测量等，主持国家自然基金等项目50余项。获国家科技进步二等奖等荣誉；发表学术论文250余篇，授权国家发明专利90余项。参与编写专著3本。

李旭东，教授，博士，主要研究方向为光电检测及信息处理。获2012年机械工业科学技术发明一等奖。主持国际自然科学基金、国家重点研发计划等项目20余项；获省部级科技奖励一等奖3项、二等奖1项；发表学术论文50余篇，授权国家发明专利40余项。

科研团队介绍

团队负责人：赵慧洁（教授）

主要成员：李旭东（教授）、姜宏志（副教授）

北京航空航天大学结构光三维视觉感知团队

该团队依托仪器科学与技术国家重点学科(双一流A+)、“精密光机电一体化技术”教育部重点实验室、国防科工局“中英(NLAA-RAL)空间科学与技术”联合实验室，在并行单像素成像、结构光三维视觉、智能数据分析与识别、弱刚性零件加工变形控制、复杂表面拼接测量和快速数据处理等方面开展了近二十年的基础理论和应用研究。团队多次承担国家重点研发计划、国防基础科研、国家自然科学基金重点项目、国防科工局“XX8”重大专项、工信部高质量发展重大专项等国家重大/重点型号攻关任务，与多家航空航天单位合作紧密，联合开展技术攻关与应用验证推广，实现了理论研究、仿真分析与工业应用结合。

全文链接

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引用格式：赵慧洁， 杨旭， 李翔， 等. 多类非漫反射表面结构光三维测量系统校准方法［J］. 计测技术， 2026， 46（1）： 147-159.

Citation：ZHAO H J， YANG X， LI X， et al. Calibration methods for structured light 3D measurement systems on multiple types of non⁃diffuse reflective surfaces［J］. Metrology & Measurement Technology， 2026， 46（1）： 147-159.

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供稿：杨   旭

排版：马鹤伟

编审：刘宇轩