結構光三維掃描測量在逆向建模中的應用研究

曹高原，曹學明，王緒杰

（深圳市銀寶山新檢測技術公司，廣東深圳 518108）

1 引言

隨著信息技術的廣泛應用以及數字地球、數字城市、虛擬現實等概念的出現，人們對空間三維信息的需求更加迫切。工業上也因5軸聯動機床的普及，傳統的二維測量數據已經不能跟上工業發展的腳步。如何快速、準確地將物體的三維信息數字化并輸入計算機成為現代工業檢測的新領域。逆向掃描測量工程的出現和發展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段，為信息數字化工業發展提供了必要的生產條件。逆向工程在制造業中最常見的兩種方式是觸測式三坐標測量和結構光三維掃描測量。兩種測量方法都可以獲取實體的數字化三維信息。本文通過對比兩種測量方式的原理、流程和結果，提出了結構光三維掃描儀在產品逆向建模中能更好的將產品真實還原。

2 觸測式三坐標測量機與結構光三維測量機的差異

2.1 測量原理的不同

（1）三坐標測量機掃描測量原理。

觸測式三坐標測量機是基于坐標測量的通用化測量設備。測量前將被測物體放入可測量行程內，設定笛卡爾三維坐標系，在被測產品的測量部位，采用觸發式逐點掃描測量，將掃描測量點進行位置擬合，再根據所掃描點集合的空間坐標值，計算出其尺寸和形位誤差，最后運用三維建模軟件將掃描的點集創建成各類幾何特征，進而擬合構造成可編輯的三維實體數學模型。

（2）結構光三維掃描測量原理。

結構光三維掃描測量是利用測量系統中的電子光學體結構光，采用非接觸三角法則掃描測量原理，通過光源信號發射接收，將結構光投射到產品的表面，在產品表面形成由被測物體表面形狀相擬合的三維圖像，該三維圖像通過兩組相機拍攝獲得物體空間維度的畸變圖像，根據結構光的3D信息，利用三維重構技術，經過計算機處理得到物體表面的三維點云信息，再利用軟件將成像的點云劃分領域并擬合成三維幾何特征構造實體。

2.2 產品掃描測量及逆向過程的差異

（1）三坐標測量機掃描測量過程。

在三坐標掃描測量中，基于其精度及特性考慮，測量機需要在高標準恒溫恒濕測量實驗室環境中，并且被測產品也需要在測量實驗室中放置至少8h以上（被測物根據不同材質放置時間可適當增加或者減少），測量實驗室環境相對濕度：30%～70%（無冷凝），溫度：19℃～21℃，溫度時間梯度：0.5℃/h，溫度空間梯度：0.5℃/m，并確保電壓信號的穩定以及測量實驗室的震動幅度以及噪音情況，以確保測量結果的可靠性。

根據掃描測量數據穩定性的需求特性，必須對產品進行測量前的固定夾持安裝，用以保證掃描測量數據精確度以及重復性。在對測量產品的固定夾持安裝前，要用無水酒精將測量機和測量產品分別擦拭以確保測量精度，在對測量產品的固定夾持安裝中，還需要考慮設備的有效行程、測針大小的合適性、測量特征的有效分布等。如圖1所示，將被測齒輪放置在三坐標測量機的工作臺上，可以采用固定式三爪夾持工具對齒輪作夾緊懸空處理，利于后續測量過程中的穩定性。

測量產品前需要對探針進行校驗，根據圖1展示的產品對它的測量選用紅寶石直徑為φ2mm的球型觸發式探針，測桿長度為60mm。在根據實際測量的位置，選擇探針的角度，由于在不同的掃描測量方向上運動矢量不同以及其他外界干擾的影響，實際的測針半徑也不完全相同，為了提高測量精度，每個測量方向在使用前必須進行探針的精度校驗。探針校驗的目的是：計算出紅寶石探針球心與三坐標測量機零點的位置及補償關系。

掃描測量產品前，需要對產品進行坐標系的建立。建立坐標系分為兩步：手動坐標系和自動坐標系。手動坐標系的目的是確定零件的位置，作為程序自動運行基礎，通常會測量較少的測量點，又稱參考坐標系；自動坐標系的目的是準確測量相關基準元素，作為后續尺寸評價的基準，通常會測量更多的點數，又稱精確坐標系。在對齒輪測量前的坐標系建立中，結合齒輪在三坐標測量機上的夾持形態，一般以齒輪的向上平面作為坐標系XY平面、垂直法向為Z軸，齒輪中心在XY平面的投影為X、Y原點。

在掃描測量過程中，首先打開三坐標測量軟件PC-DMIS，新建測量程序，加載所選擇的測針，根據實際需求校驗測針，建立坐標系。分析產品結構，首先測量齒輪中心圓的，用手動取點的方式在中心圓的圓周上均勻取8個點，點擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此8個點并構造成圓形。用手動取點的方式在齒輪上平面的邊界處均勻取16個點，取點時要保證這16個點在Z軸上同一高度，保持Z軸水平有兩個方法第一在手動打點時將Z軸的移動方向鎖死，第二種方法是去點后將Z軸的坐標改成同一數值，點擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此16點并構造一個平面。用手動取點的方式在齒輪的最外圓上均勻分布的方式取16個點，取點時這16個點也要保證在Z軸方向上高度一致，點擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此16個點并構造成圓形。用手動取點的方式在齒輪的齒底部均勻分布的方式取16個點，點擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此16個點并構造成圓形。將水平指向右的齒定義為1號齒，用手動測量的方式在1號齒的左齒面取8個點，點擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此8個點并構造成平面，用手動測量的方式在1號齒的右齒面取8個點，點擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此8個點并構造成平面。用同樣的方法在30個齒上取點，并構造成曲面。

觸測掃描結束后，使用測量軟件PC-DMIS中的掃描點元素導出成為“.psl”點云格式（見圖2），將導出的點云用逆向建模軟件Design X打開（見圖3）。

圖2 轉換為psl格式

圖3 導入逆向建模軟件

根據點云進行三角面片擬合，再通過軟件的曲面放樣（見圖4），切除拉伸等繪制出三維實體齒輪模型（見圖5）。

圖4 曲面擬合

圖5 實體建模

（2）結構光三維掃描測量過程。

采用結構光三維掃描測量產品時，不需要考慮環境對測量精度的影響，由于考慮到光束對測量的影響，通過向被測物體投射藍光編碼光來消除物體表面不同反射率對測量精度的影響。相比三坐標測量機，藍光掃描儀體積更小移動更靈活。用結構光掃描時產品不需要在掃描過程中建立坐標系統，僅需要對被測物體表面粘貼標記點，以便后續曲面拼合和重構工作。

由于部分產品表面反射光的能力較弱，需要噴涂顯像劑來增強表面的反射力配合點云GOM軟件進行掃描系統的矯正。在噴涂顯像劑時要噴涂均勻，不能過多的噴涂改變被測物體的實際表面形狀與數值，在被測產品表面貼標記點時要均勻進可能的在結構少法向指向一致的位置上貼標記點。

結構光掃描測量時，將被測物體放入掃描轉臺上（見圖6），掃描轉臺一般為黑色，最大的降低投射到物體表面的光束被掃描臺吸收。如果在現場作業，為了提高掃描精度需要適當的遮蔽強光，避免因強光對結構光掃描過程產生影響。

圖6 齒輪結構光掃描

打開掃描軟件GOM，在軟件中新建掃描程序，根據圖6中被測物體的特征將掃描分為兩部分，一部分為產品的外表面，一部分為產品的下表面。打開掃描軟件GOM，新建掃描文件，將投射出的光束對準產品，在軟件中反復點擊攝像頭對物體進行結構光掃描測量，直到該光束范圍內物體成像清晰，轉動轉臺調整攝像頭位置直到上表面輪廓大概掃描清晰為止，之后將被測物體翻轉過來掃描另外一部分。因為將此物體翻轉過來與之前測得的三維掃描體有兩個面是重合的固可以直接在一個項目中掃描，將上下表面兩部分掃描成為一個整體。

通常可將分開的兩部分各自掃描成一個整體，掃描結束后再通過軟件將兩部分掃描體整合為一個整體，此被測物掃描出的三維形態的點云（見圖7）。

將結構光掃描測量生成的三維形態點云導出格式為.STL，并導入到Design X軟件進行實物的實體繪制。首先將掃描出的三維模型在坐標系下進行擺正，分析擬合實體的先后順序，一般順序為先整體在細節，由外部到內部，先拉伸后切除。在每構造一個特征后，要與三維掃描體進行對比偏差在允許的公差范圍內在確定生成特征。直到每一個特征都創建出來，擬合實體，如圖8所示。

圖7 三維形態的點云

圖8 擬合構建的實體

逆向構建出的實體模型，還可與結構光掃描測量出的點云進行擬合精度的色域比對，實時分析出產品表面的結構是否完備和精度是否符合要求，如圖9所示。

圖9 實體與點云色域精度比對

3 結構光三維掃描測量在逆向建模的優勢

根據三坐標測量機掃描測量與結構光三維掃描測量在實際掃描測量逆向過程中的對比，結構光三維掃描測量在掃描測量以及逆向建模中優勢明顯，其主要體現如下：

三坐標測量機在掃描測量過程中，使用的是觸測式掃描的方式；而結構光三維掃描測量儀則是采用非接觸式光學掃描。非接觸式光學掃描過程中，避免了觸測式掃描所帶來的產品形態接觸式的形態變化，更好地克服了產品的外形變化所帶來的準確性。

三坐標測量機在觸測式掃描過程中，為單點式觸測，對于產品的整體曲面而言，單點式觸測方式，較易漏測產品曲面部分的關鍵曲率部位，且產品邊緣部分及倒角部分是觸測式掃描測量無法進行的。結構光三維掃描測量儀，通過光學掃描，有效地對產品曲面曲率的點云掃描測量，克服了因接觸式無法測量的部位的準確掃描。

三坐標測量機在觸測式掃描測量過程中，所掃描出來的特征點云為間隔較大形態，具體間隔局限于探針的直徑和掃描間距設定，點云中間距過大，產品形態的準確度較低。結構光三維掃描測量儀所掃描測量出來的點云密度極大，掃描測量過程中，極大地保證了產品表面形態的高度擬合，有效還原產品的真實形態。

三坐標測量機所觸測式掃描生成的點云，在逆向建模過程中，由于點云密度不高，所擬合生成的曲面形態，與真實產品曲面曲率存在較大差異，逆向設計出的實體模型，與真實產品也存在較大差異。結構光三維掃描測量儀所掃描出來的點云，其優異點主要體現在密度大，在逆向建模過程中，通過密度大的點云所擬合建立出來的曲面曲率，與真實產品相差較小，滿足產品的掃描測量及逆向建模需求。

三坐標測量機掃描測量生成的點云間隔較大，根據其建立的實體模型，與點云的色域對比，存在較大誤差。結構光三維掃描測量信的點云間隔小，所建立的產品實體模型，與點云的比對過程中，色域差體現精確，可根據色差進行實時調整實體模型。

綜上所述，結構光三維掃描測量在克服產品形態變化、掃描范圍覆蓋、掃描點云密度、點云擬合精度等方面都具有較大的優勢。

4 結束語

通過對比觸測式三坐標測量機與結構光三維掃描測量兩種測量方法的測量原理、測量過程、實體擬合結果，分析兩種測量方式的優缺點，得出結構光三維掃描儀在掃描測量及逆向建模過程中，可有效地克服產品的接觸式變形，保證曲面曲率精確擬合和逆向建模的產品真實還原度。在現代工業制造及測量進程中，對產品的實體形態進行可靠有效地掃描及逆向設計，為產品前期的設計、中期的修正、后期的量產起到切實有效的作用，同時，也保證了產品的快速掃描測量及逆向建模的時效性。