便攜式3D激光掃描儀成像原理與三維重建

文/張仕林 馬創 張雨薇 王 雪，上海電機學院

便攜式3D激光掃描儀成像原理與三維重建

文/張仕林 馬創 張雨薇 王 雪，上海電機學院

現有的掃描儀存在體積較大、便攜性較差、掃描精度不高、定價不夠平民等諸多不足，本項目為此設計了一款集便攜性、高精度、性價比于一身的三維掃描魔盒以滿足大眾消費者的低成本、便攜式桌面級掃描需求，同時便于用戶的模型重建或3d打印。該掃描儀由8位微處理器ATmega328單片機控制，由羅技C270相機捕捉物體上激光線圖像，再傳送到PC端軟件進行處理和重建。

Arduino；激光掃描；三維重建

三維激光掃描技術(3D激光掃描技術)是一種先進的全自動高精度三維掃描技術,高精度三維建模和逆向工程重構會用到這項活復制技術。成千上萬,和數百萬。復雜的場景環境被它可以深入掃描,采集各種大型、復雜、不規則的數據到計算機,從而快速重構目標的三維云模型。此外,各種后處理,如測空、分析、仿真、測驗和投影的模擬顯示,如監測、虛擬現實[2]等。

1 系統原理

本系統以Arduino Uno作為控制中心，利用線性激光和圖像傳感器進行數據的采集，以及使用圖像處理軟件進行拼接去噪，最終形成三維模型輸出。該設計由四大模塊構成，分別是：Arduino模塊、圖像采集模塊、激光掃描模塊和圖像軟件處理模塊

2 系統實現

2.1 硬件實現

整個硬件部分的架構我們采用模型3D打印套件與螺桿以及電機軸承鑲嵌加固的設計，先是根據主要的硬件架構模塊設計出合適的3D打印套件，然后由3D打印機打印出模型，并且用銼刀、電鉆等工具進行打磨，然后進行組裝，利用螺母，熱熔膠等固定工具將整個架構給固定好，使其達到堅固可靠的效果。

外觀部分我們采用了專門的定制的亞克力圓柱作為主體外觀，即內徑22厘米，高8厘米，封底，以及另一個內徑13厘米，高24厘米封底，才用打孔、螺絲固定、點熱熔膠等方式將Arduino模塊、圖像采集模塊、激光掃描模塊等一一固定在圓柱內壁上，以保證整個硬件系統的一體性和耐久度，外層表面采用了先進的陽極氧化質感噴涂技術，使得整個硬件系統的外形，充滿現代科技的藝術氣息，螺絲外圍由墊板裁切粘合作為保護套，既保證的外觀的美觀性，又能保護螺桿不受侵蝕，即有極大的實用性。棱角與弧線的碰撞使得整個硬件系統內斂又不失活力，質感足又不失科技感。

Arduino 主要由控制板與擴展板組成，Arduino Uno R3主要由ATmega328系列單片機和USB轉串口電路構成。8位微處理器ATmega328片內包含32kb Flash2KB SRAM，1KB EEPROM，運行時鐘頻率為16MHz ,通過內部預置的bootloader程序可以直接下載程序到Uno中。ATmega328單片機產生高電平信號傳輸到步進電機，步進電機開始帶動帶掃描物體運轉。羅技C270相機捕捉轉動物體上激光線圖像傳輸到PC端待用。

2.2 軟件實現

本系統設計的三維激光掃描技術流程如下：

（1）影像的配準

配準是將從幾個不同的站獲取的數據拼接在一起以產生單個坐標系的過程。通過指定獨立基站中的一個的位置和方向來確定初始坐標系。當拼接完成后，多個ScanWorlds將合并到一個新的ScanWorld。

（2）掃描輸出與后續加工

激光雷達技術的最直接的結果是整體距離圖像模型和三維重建模型。 圖像生成的結果包括原始模型，輪廓，特征和數據模型（包括三角測量，Nurbs，簡單幾何模型）。最終還可以制作彩色模型，輸出正射影像圖和三維模型。

（3）點云數據配準算法的概述

距離影像又稱點云，由無數具有灰度或彩色信息的空間點陣構成。在影像合并拼接或配準過程中，這種陣列形式可能被打亂，這時候距離影像中的點陣就變成散亂的點。

（4）三維重建與除噪聲

從高密度的點云數據進行掃描物體的重建儀提取需要的數據是數據處理的重要部分，根據三維模型表示不同方式，點云數據的模型重建是三維點云數據表面的模型重建，主要構造網格（三角面片）逼近掃描物體表面。

3 實驗結果與分析

整個實驗過程分為三個階段：

3.1 連接硬件與參數調節

在標定之前我們需要把激光器和相機的參數調節到合適的狀態，主要是調節闕值、對比度、曝光等參數，攝像頭捕捉到的最清晰最明亮的畫面且使得畫面中出現彩線和細膩均勻的激光線條。

3.2 標定

通過軟件進行三個主校準的過程設置：

攝像機實況：相機的傳感器的標定和鏡頭。

可以在相機上調整的設置：亮度，對比度，飽和度，曝光，幀速率，分辨率和

3.3 掃描

3.3.1 平臺控制

掃描過程中有它自己的設置和調整的攝像頭，激光，電機和圖像處理算法和點云。

該設置可以手動調整使用此面板，他們分為以下內容：

3.3.2 使用激光：

可以選擇左激光，右激光或兩者。如果使用兩個激光掃描時間更長，但兩倍的點會被掃描。使用兩個激光掃描的時間不是一個激光的兩倍。

3.3.3 快速掃描：

一個可供選擇的實驗選項。實際上它減少掃描時間的一半，而不影響分辨率。作為一個實驗選項，在掃描過程中可能出現一些錯誤

3.4 結果分析

實驗進行的是掃描杯子，所以只有側面和正上面的杯口可以看到，且由于杯子手柄部位會遮擋到激光的直射，所以掃描出的模型會有一個缺口，存在這一具體問題需要后期進行人工重建，以形成一個完整的，可以展示的模型。下面是實驗結果，即掃描完成后的三維模型。

易被掃描的物體應具備下列特征：

（1）表面為亞光處理，不易反光

（2）盡可能地為圓柱體或類似于圓柱體的物體

（3）表面盡可能地凸起，使激光經過物體中心的線可以均勻有效地打在每一處表面的紋理上。

3.5 結論

綜合來講；整個軟硬件的設計與組裝方面有一定的創新性，其難點和重點就在于每次進行標定時候，由于受到光線明暗，光照對比度大小以及客觀的實驗場景的影響，其標定的成功率忽高忽低，，為此進行了嚴格的測試和反復的總結，設置好對光線影響寬容度最高的各項參數，最終實現對物體三維數據的具體掃描掃描[4]。

[1]鄭德華,沈云中,劉春,等.三維激光掃描系統測量方法與前景展望[D].長春,長春理工大學,2015．

[2]郭琳娜,張吉平,柳永全,等.利用地面三維激光掃描技術進行地形測繪[J].中國科技論文，2015．

[3]楊航,徐松戰,等.基于三維激光掃描的汽車零部件逆向設計[J].河南工程學院學報：自然科學版,2015．

指導老師：黎明