基于3D掃描的誤差影響因素＊

周淑容，鄭 浩

（四川職業技術學院，四川遂寧 629000）

1 引言

在零件的測繪過程中，異型件、曲面件逐漸增加，傳統的測繪方式很難滿足現在的需求[1]，在這種背景下，更加先進的檢測方法應運而生。而在這些先進檢測方法中，基于3D的檢測方法應用非常廣泛，它廣泛應用在汽車、飛機等復雜沖壓零件的檢測之中，因為這些零件形狀復雜，成形精度難以控制，對其整體形面進行完整的三維測量和精度分析，可為成形工藝優化提供基礎的測量數據，對提高復雜零件的成形精度具有至關重要的作用[2]。該檢測方法是用三維掃描，將零件外形掃描出來，再導入專業的數據處理軟件與原來的數字模型做對比，從而檢測出其成形精度。而在這個處理過程中，三維掃描的精度非常關鍵，它直接影響了后面的檢測精度。所以對影響掃描精度的因素做分析，找出糾正措施是3D檢測的一個非常重要的工作。本文將主要討論在三維掃描過程中，引起掃描誤差的因素。

2 三維掃描基本情況介紹

2.1 掃描儀分類及應用范圍

目前，用來采集物體表面數據的測量設備和方法有很多，其中應用比較廣泛的是數字檢測手段。根據測量探頭是否和零件表面接觸，該測量方式可以分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。接觸式測量系統的典型代表是三坐標測量機，非接觸式測量主要包括各種基于光學的測量系統等[3]。常見的白光掃描，藍光掃描，等光柵掃描儀和點激光、線激光、面激光掃描儀等激光掃描儀均屬于非接觸掃描儀范疇。而本文探討的主要是非接觸式測量，即通常說的基于3D的三維掃描方式，其檢測所得數據可用于物體的三維重建（3D reconstruction）。三維重建是獲取真實場景表面形狀的過程，被廣泛應用于交通運輸、工業制造和國防等領域中[4～6]。當然，不同技術構建而成的三維掃描儀有不同的應用范圍，比如由于激光具有強穿透性，所以激光三維掃描儀不適用于表面脆弱、易發生某種變化的物體，其主要應用在在交通事故處理、土木工程、室內設計、數字城市、建筑監測、災害評估、軍事分析等諸多方面。而光學技術卻較難處理閃亮的物體，所以表面為鏡面的物體，光柵三維掃描儀就不適用，光學掃描儀在工業設計行業得到相當廣泛的應用，比如模具零件的檢測通常采用光學掃描儀中的拍照式掃描。

2.2 非接觸式三維掃描儀優缺點

該掃描方式具有高精度，高效率、數字化速度快，整個測量過程時間短，收集的數據密度大，無需過多的數據收集預先規劃，不破壞數字化對象，可以對柔軟或易碎對象進行測量。雖然說該種方式優點很多，但也存在一些缺陷，比如要實現高反射光或發散光的工件表面進行測量，需要使用顯影劑；零件的內部或者是零件上被遮擋的部分沒法被測量；測量后所得到的大量的離散幾何數據在許多的CAD軟件中不能處理，只有導入專業的軟件才能處理；更重要的是，該種測量方式由于測量系統本身或者是操作者等因素，導致測量精度受到影響。而這也是目前制約三維掃描發展的的一個重要因素，亟待解決。

3 影響三維掃描精度的因素分析

3.1 物體自身的因素

工作中，待測物體的表面光滑度，顏色以及材料的組成等都會影響測量結果[7]。物體的表面越光滑，顏色越深等條件都會影響掃描精度[8·]。對于光滑反光的物體，要噴上顯影劑，這樣成像精度才會提高。如圖1、圖2所示，在物體未噴顯影劑之前，在相同的掃描參數設定情況下（圖1為標志點標記完成，圖2為正在掃描的過程），掃描效果很差，幾乎不能成像，掃描結果如圖3所示，當噴上顯影劑后掃描結果如圖4所示。從該比較可以看出，對于光滑反光的物體如果不噴上顯影劑，將會影響掃描效果。

圖2 正在掃描的零件

圖3 未噴顯影劑的掃描結果

圖4 噴顯影劑后的掃描結果

3.2 標定的因素

在物體標定過程中，如果標定點的位置貼得不正確，也會導致掃描精度出現一定的問題。在標定點貼的過程中，標定點不能貼得太近太規范，比如全部排成一條線，或者一個圓等規則圖形，這樣的貼法會導致最后的掃描結果不理想，導致掃描精度受到影響，如圖5所示，在零件上不同部位因為貼標記點的方法不同，掃描的結果就不一樣。前部分（見圖5A處）貼的標記點間隔很近，而且成一條直線，最后導致掃描效果很差，零件的后部分（見圖5B處）貼的標記點間隔合理，而且不完全成一條直線，在相同的掃描環境下，掃描結果優于標記點成一條直線的。另外，在物體兩個面的聯結處，需要貼標定點，有利于在零件的掃描過程中光滑過渡，否則會造成圖片之間沒有聯結點，使掃描結果產生異常，降低掃描精度[9～10]。

圖5 標記點貼成一條直線與不成直線的區別

3.3 掃描方法

在掃描過程中，在沒有自動轉塔的情況下，當用手移動物體時，一定要按著一定的順序依次移動。而且，在第一次掃描和第二次掃描的轉換過程中，一定要有3個以上共同的聯結點，否則掃描圖形將會因為沒有共同的坐標而出現多視錯誤。如圖6所示，在掃描過程中，無序轉動零件導致掃描結果異常。

圖6 有序轉動

而圖7中的結果表明，有序轉動時，掃描結果完整。

圖7 有序轉動

3.4 掃描環境影響

在掃描過程中，掃描環境對掃描精度也有影響。比如光線、溫度、濕度、浮塵、曝光率、震動等都對掃描精度有影響。光線太強，溫度太高等都不利于掃描結果的完成。如果掃描環境有震動的情況，需要對掃描儀進行重新標定。

3.5 儀器本身誤差

在非接觸式測量方法中，結構光法被認為是目前最成熟的三維形狀測量方法，在工業界得到廣泛應用。但即使是最成熟的測量方法，儀器本身也存在對物體的表面粗糙度、漫反射率和傾角過于敏感，存在由于遮擋造成的陰影效應，對突變的臺階和深孔結構等都容易產生掃描數據丟失。當然，這只是儀器本身影響掃描精度的一個方面，還有很多其他方面，比如，對于表面突變的物體，由于儀器掃描時在陡峭面往往發生相位突變，使測量精度大大降低等。另外，在儀器的標定過程中，如果由于操作者經驗不豐富，導致掃描角度沒有調好，都會影響測量誤差。

3.6 數據處理誤差

當數據掃描完成后，還需要導入專業數據處理軟件進行數據處理。在數據處理過程中，要降低噪聲處理，孤立點處理，非連接項處理、全局注冊等，這些處理都會丟失部分點云數據，或多或少都會影響測量精度。如圖8所示，即在點云處理過程中，在非連接項處理時，圖8中C處本為零件部分點云，但由于在掃描時沒處理好，導致掃描不完整，此時將被作為非連接項被軟件刪除掉，這樣就會導致零件的掃描結果不準確。另外像沖壓零件的一些比較尖銳的邊角，如果操作者在陵角處理，或者銳邊倒鈍時處理方式不合理，就會讓本來尖銳的地方變得圓滑，從而導致掃描結果失真。或者由于貼標記點位置在點云數據中是不完整的，轉變為三角面片后是一個個的小洞，在補洞的過程中，如果操作者不熟練，也會導致補孔的數據與原來模型差別較大。

圖8 點云處理過程

4 減少掃描誤差的措施

在使用三維掃描儀進行掃描過程中，為避免引起掃描誤差因素的出現，掃描過程中，應做好以下幾點工作：

（1）首先，要調整好儀器設備，比如掃描角度等，特別是標定時一定要達到儀器設備要求的標定精度，否則掃描精度一定會不好。

（2）其次，要營造一個良好的掃描環境，選擇合適的光線和溫度和濕度，在沒有震動的情況下進行掃描。

（3）對于容易變形的物體，盡量不要移動物體，可以考慮移動掃描儀來進行測量。

（4）在標定時，標定點不要貼成一條直線等太規則的形狀，而且在兩聯結面處需要貼標定點，用于掃描過渡。

（5）當零件需要噴顯影劑時，顯影劑的位置要稍微離物體遠一些，這樣噴出顯影劑的厚度才均勻。

（6）在軟件處理點云數據時，要選擇合適的點云導入百分比，特別在處理非聯結項時，如果掃描數據丟失過多，則導致掃描結果嚴重失真。

5 結論

綜上所述，三維激光掃描的應用非常廣泛，要想獲得比較精確的測量數據，必須要盡可能的減少在掃描過程中影響掃描精度的因素，從而獲得良好的掃描效果，進而獲得良好的檢測效果。