三維掃描技術(shù)掃描精度研究

摘 要：隨著科技的發(fā)展，三維掃描技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用，三維掃描主要是用于通過對(duì)物體結(jié)構(gòu)和外形輪廓進(jìn)行掃描，來獲得掃描目標(biāo)外形表面的三維坐標(biāo)。掃描時(shí)應(yīng)用三維激光掃描儀快速地獲得掃描目標(biāo)的外形表面的三維坐標(biāo)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)獲得云數(shù)據(jù)用建模軟件進(jìn)行處理，重新構(gòu)建物體的三維模型。人工對(duì)一些大型的復(fù)雜零件進(jìn)行尺寸測(cè)量有一定難度，可以用激光三維掃描儀測(cè)量。同時(shí)，三維激光掃描儀也可以用于復(fù)雜的工作環(huán)境。但是，掃描過程會(huì)存在各種因素，可能會(huì)出現(xiàn)誤差，從而對(duì)建模造成影響，導(dǎo)致構(gòu)建出的模型和實(shí)體模型有很大偏差。所以，提高掃描精度對(duì)于三維掃描具有重要意義。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;誤差分析;提高精度

1? 三維掃描技術(shù)的原理

1.1? 結(jié)構(gòu)光掃描原理

三維掃描技術(shù)可以對(duì)物體進(jìn)行照相測(cè)量。所謂的照相測(cè)量就是相當(dāng)于用照相機(jī)對(duì)視野范圍內(nèi)的物體進(jìn)行照相，不同的是照相機(jī)攝取的是物體的二維圖像，而三維掃描的測(cè)量?jī)x獲得的是物體的三維坐標(biāo)[1]。

1.2? 激光掃描原理

激光掃描儀的基本結(jié)構(gòu)包含激光光源及掃描器、受光感（檢）測(cè)器、控制單元等部分。激光光源是密閉的，不容易受到環(huán)境的影響，而且可以形成光束，通常用低功率的可見光激光，比如氦氖激光、半導(dǎo)體激光等。掃描器是旋轉(zhuǎn)多面棱規(guī)或雙面鏡，當(dāng)光束射入掃描器后，可以快速轉(zhuǎn)動(dòng)使激光反射成一個(gè)掃描光束。光束掃描全程中，如果有工件擋住光線，則可以測(cè)知直徑大小[2]。

1.3? 三坐標(biāo)原理

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[3]是由3個(gè)互相垂直的運(yùn)動(dòng)軸XYZ建立起的一個(gè)直角坐標(biāo)系，測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)都在坐標(biāo)系中進(jìn)行，測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)軌跡由測(cè)球中心來表示。測(cè)量時(shí)，把被測(cè)零件放在工作臺(tái)上，測(cè)頭與零件表面接觸，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)可以隨時(shí)給出測(cè)球中心點(diǎn)在坐標(biāo)系中的精確位置。

2? 影響三維激光掃描精度的因素

在三維激光掃描的過程中，有很多影響掃描精度的因素，還有隨機(jī)因素造成的誤差等，都可能會(huì)影響到最終的測(cè)量結(jié)果，導(dǎo)致三維激光掃描產(chǎn)生誤差[4]。

2.1? 儀器誤差

儀器誤差是因?yàn)槿S激光測(cè)量?jī)x器本身性能缺陷所產(chǎn)生的測(cè)量誤差[5-6]。

（1）角度和測(cè)距誤差。三維激光掃描儀主要由角度測(cè)量裝置和激光光束偏轉(zhuǎn)裝置兩部分組成。激光光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)容易在水平方向和垂直方向產(chǎn)生測(cè)量偏差，同時(shí)掃描電機(jī)非均勻的轉(zhuǎn)動(dòng)和細(xì)微的振動(dòng)導(dǎo)致實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)同測(cè)量值存在坐標(biāo)差值。

（2）濾鏡自身誤差。透鏡既不是理想的，也不是很薄的。當(dāng)透鏡相對(duì)物距很大或物體離透鏡軸很遠(yuǎn)時(shí)，單透鏡的初級(jí)像差是很嚴(yán)重的。為此，目前工業(yè)領(lǐng)域一般采用消除初級(jí)像差的影響。

（3）攝像機(jī)分辨率影響。分辨率表征儀器檢測(cè)工件的最高解析能力，主要由像素尺寸和像素間距的大小因數(shù)決定。CCD攝像機(jī)對(duì)像素位置測(cè)量只能取整數(shù)，而且不是連續(xù)的量，主要還取決于測(cè)量范圍。國內(nèi)外一般常采用雙攝像頭三角測(cè)量方法，兩個(gè)攝像頭對(duì)稱分布在光平面的兩側(cè)，接收光束的漫反射光，有利于減少測(cè)量的盲區(qū)，增加接收光束的漫反射光。

2.2? 與目標(biāo)物體的誤差

任何時(shí)候，物體的反射特性都會(huì)影響到反射信號(hào)的強(qiáng)度。與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差包括目標(biāo)物體表面材質(zhì)、粗糙程度、射面傾斜和顏色等引起的誤差[7]。

2.2.1? 被測(cè)工件表面的粗糙度的影響

點(diǎn)云測(cè)量精度與被測(cè)目標(biāo)表面的粗糙度有密切關(guān)系。由于三維掃描儀激光回波信號(hào)具有多值性特點(diǎn)，不同的系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)處理的方式不同，導(dǎo)致激光腳點(diǎn)位置誤差ds小于等于工件表面的最大粗糙度?max的50%。然而，工件表面的光滑程度并不是越光滑越好，如果被測(cè)工件表面十分光滑，往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的鏡面反射現(xiàn)象，引起測(cè)量數(shù)據(jù)較大誤差或點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警。工件表面粗糙度引起測(cè)距偏差如圖1所示。

2.2.2? 被測(cè)工件表面傾斜度的影響

激光光束的起始直徑大小恒定，并且具有一定的發(fā)散角，導(dǎo)致激光從發(fā)射孔到工件的實(shí)際距離同測(cè)量值存在微小偏差，同時(shí)不同的傾斜角度導(dǎo)致的誤差也不盡相同。激光光束的起始直徑大小恒定，并且具有一定的發(fā)散角，導(dǎo)致激光從發(fā)射孔到工件的實(shí)際距離同測(cè)量值存在微小偏差，同時(shí)不同的傾斜角度導(dǎo)致的誤差也不盡相同。工件表面傾斜度引起測(cè)距偏差如圖2所示。

2.2.3? 反射率

由于激光照射到工件表面都會(huì)被其不同程度的吸收和反射，所以激光測(cè)距主要依賴于激光反射工件的能力。一般情況下，激光反射率會(huì)受到工件的粗糙度、表面顏色和材質(zhì)的影響。表面顏色由物體反射電磁波的波長(zhǎng)決定，反映了材質(zhì)的特性，不同材質(zhì)在不同波長(zhǎng)下的反射率如表1所示。

各種工件表面反射率不同，將導(dǎo)致激光掃描產(chǎn)生微小的系統(tǒng)性均方根誤差，表明白色表面比黑色、暗灰色表面測(cè)量精度高，影響誤差小。

為提高測(cè)量精度，可在檢測(cè)前對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行表面噴涂，使被測(cè)工件表面呈現(xiàn)良好的漫反射，有效改善被測(cè)工件由于反光、透明、抑或各種顏色、材質(zhì)造成的掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量差等缺陷，使其更易于掃描和獲取高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3? 與外界環(huán)境有關(guān)的誤差

掃描儀在測(cè)量時(shí)的精度還受到外部環(huán)境影響，如溫度、濕度和壓強(qiáng)等，這些因素會(huì)影響到電器元件的尺寸與形變、激光在介質(zhì)傳播速度及折射率，從而直接或間接地影響測(cè)量精度。此外，室外空氣質(zhì)量的好壞也會(huì)影響到最終測(cè)量結(jié)果，如暴雨、沙塵暴、霧霾等天氣會(huì)增加最終測(cè)量的噪點(diǎn)數(shù)量，增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理的難度。

溫度是外部環(huán)境中對(duì)測(cè)量精度影響最大的因素，也是可控性最強(qiáng)的途徑之一。當(dāng)溫度超越臨界范圍時(shí)，設(shè)備的供電性能、精密機(jī)械構(gòu)件和掃描儀測(cè)量速度都會(huì)受到影響。因此，在使用工業(yè)級(jí)三維激光掃描儀和手持式激光掃描儀時(shí)，都會(huì)給出儀器正常工作溫度范圍，一般在非冷凝環(huán)境下0～45 ℃。所以在使用設(shè)備前，要選擇良好的外界環(huán)境，以便提高掃描數(shù)據(jù)的精度。

2.4? 操作誤差對(duì)精度的影響情況

（1）采樣距離。三維激光掃描儀的精度與實(shí)際使用過程中的采樣距離和物體的反射率有關(guān)。對(duì)于同樣的工件，在不同位置測(cè)量的數(shù)據(jù)不同，因此采樣距離決定著精度的結(jié)果。

（2）標(biāo)靶數(shù)量和類型及位置。合理設(shè)置參考標(biāo)靶類型、數(shù)量和位置能夠有效提高數(shù)據(jù)掃描的精度。理論上，工件變換位置，至少保證有4個(gè)公共標(biāo)靶，且適當(dāng)增加標(biāo)靶數(shù)量可以有效提高后期拼接精度。同時(shí)，由于紙質(zhì)黑白標(biāo)靶黏性不穩(wěn)定和易出現(xiàn)凸起現(xiàn)象，為提高后期拼接精度，一般采用球形標(biāo)靶或球形標(biāo)靶與磁性標(biāo)靶組合使用的方式進(jìn)行測(cè)量。此外，標(biāo)靶的位置應(yīng)避免定位點(diǎn)過密、線形排列或有規(guī)律地分布現(xiàn)象，任意兩點(diǎn)的距離保證在20～100 mm為宜。

（3）光柵影響。當(dāng)被測(cè)工件表面的顏色偏暗時(shí)，可在掃描系統(tǒng)的設(shè)置項(xiàng)中“單面掃描項(xiàng)”中選擇“白色光柵”;若被測(cè)工件表面顏色偏亮，可在設(shè)置菜單項(xiàng)中“單面掃描項(xiàng)”選項(xiàng)，選擇“紅色光柵”。

3? 結(jié)語

三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)物體外表面進(jìn)行掃描，可以快速獲得被測(cè)物體的三維坐標(biāo)，這些三維坐標(biāo)有很多，少的有幾萬，多的達(dá)到幾百萬，然后通過建模軟件對(duì)這些大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以得到待測(cè)物體的三維模型。三維激光掃描儀在掃描物體時(shí)具有速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于大型的復(fù)雜零件，人工測(cè)量其尺寸有難度，這時(shí)可以運(yùn)用激光三維掃描儀進(jìn)行測(cè)量。現(xiàn)如今，隨著技術(shù)的發(fā)展，三維掃描技術(shù)越來越重要，這也就要求掃描精度要高，但是在掃描過程中由于各種因素，不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差，這會(huì)對(duì)建模有很大的影響，若對(duì)誤差置之不理，最后構(gòu)建出來的實(shí)體模型由于誤差的存在而與原型大相徑庭。因此，提高掃描精度對(duì)三維掃描具有重要意義。

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（編輯 王永超）

Research on scanning accuracy of 3D scanning technology

Han Yumeng

（Guidaojiaotong Polytechnic Institute， Shenyang 110023， China）

Abstract：With the development of science and technology， 3D scanning is more and more widely used. 3D scanning is mainly used to obtain the 3D coordinates of the surface of the object by scanning the structure and contour of the object. In scanning， 3D laser scanner is used to quickly obtain the 3D coordinate cloud data of the external surface of the scanning target， and then the 3D model of the object is reconstructed by modeling software. Some large complex parts， manual size measurement has some difficulty， which can be measured by laser 3D scanner. At the same time， 3D laser scanner can also be used in complex working environment. However， there will be various factors in the scanning process， which may lead to errors， which will affect the modeling， resulting in a large deviation between the constructed model and the solid model. Therefore， improving the scanning accuracy is of great significance for 3D scanning.

Key words：3D laser scanning; error analysis; improving accuracy

作者簡(jiǎn)介：韓雨萌（1990— ），女，遼寧葫蘆島人，助教，碩士;研究方向：機(jī)械工程。