基于3D掃描的誤差影響因素＊

周淑容，鄭 浩

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川遂寧 629000）

1 引言

在零件的測(cè)繪過程中，異型件、曲面件逐漸增加，傳統(tǒng)的測(cè)繪方式很難滿足現(xiàn)在的需求[1]，在這種背景下，更加先進(jìn)的檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生。而在這些先進(jìn)檢測(cè)方法中，基于3D的檢測(cè)方法應(yīng)用非常廣泛，它廣泛應(yīng)用在汽車、飛機(jī)等復(fù)雜沖壓零件的檢測(cè)之中，因?yàn)檫@些零件形狀復(fù)雜，成形精度難以控制，對(duì)其整體形面進(jìn)行完整的三維測(cè)量和精度分析，可為成形工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)提高復(fù)雜零件的成形精度具有至關(guān)重要的作用[2]。該檢測(cè)方法是用三維掃描，將零件外形掃描出來(lái)，再導(dǎo)入專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件與原來(lái)的數(shù)字模型做對(duì)比，從而檢測(cè)出其成形精度。而在這個(gè)處理過程中，三維掃描的精度非常關(guān)鍵，它直接影響了后面的檢測(cè)精度。所以對(duì)影響掃描精度的因素做分析，找出糾正措施是3D檢測(cè)的一個(gè)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(yīng)用范圍

目前，用來(lái)采集物體表面數(shù)據(jù)的測(cè)量設(shè)備和方法有很多，其中應(yīng)用比較廣泛的是數(shù)字檢測(cè)手段。根據(jù)測(cè)量探頭是否和零件表面接觸，該測(cè)量方式可以分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢悺＝佑|式測(cè)量系統(tǒng)的典型代表是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，非接觸式測(cè)量主要包括各種基于光學(xué)的測(cè)量系統(tǒng)等[3]。常見的白光掃描，藍(lán)光掃描，等光柵掃描儀和點(diǎn)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(cè)量，即通常說的基于3D的三維掃描方式，其檢測(cè)所得數(shù)據(jù)可用于物體的三維重建（3D reconstruction）。三維重建是獲取真實(shí)場(chǎng)景表面形狀的過程，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工業(yè)制造和國(guó)防等領(lǐng)域中[4～6]。當(dāng)然，不同技術(shù)構(gòu)建而成的三維掃描儀有不同的應(yīng)用范圍，比如由于激光具有強(qiáng)穿透性，所以激光三維掃描儀不適用于表面脆弱、易發(fā)生某種變化的物體，其主要應(yīng)用在在交通事故處理、土木工程、室內(nèi)設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、建筑監(jiān)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估、軍事分析等諸多方面。而光學(xué)技術(shù)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(xué)掃描儀在工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，比如模具零件的檢測(cè)通常采用光學(xué)掃描儀中的拍照式掃描。

2.2 非接觸式三維掃描儀優(yōu)缺點(diǎn)

該掃描方式具有高精度，高效率、數(shù)字化速度快，整個(gè)測(cè)量過程時(shí)間短，收集的數(shù)據(jù)密度大，無(wú)需過多的數(shù)據(jù)收集預(yù)先規(guī)劃，不破壞數(shù)字化對(duì)象，可以對(duì)柔軟或易碎對(duì)象進(jìn)行測(cè)量。雖然說該種方式優(yōu)點(diǎn)很多，但也存在一些缺陷，比如要實(shí)現(xiàn)高反射光或發(fā)散光的工件表面進(jìn)行測(cè)量，需要使用顯影劑；零件的內(nèi)部或者是零件上被遮擋的部分沒法被測(cè)量；測(cè)量后所得到的大量的離散幾何數(shù)據(jù)在許多的CAD軟件中不能處理，只有導(dǎo)入專業(yè)的軟件才能處理；更重要的是，該種測(cè)量方式由于測(cè)量系統(tǒng)本身或者是操作者等因素，導(dǎo)致測(cè)量精度受到影響。而這也是目前制約三維掃描發(fā)展的的一個(gè)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(cè)物體的表面光滑度，顏色以及材料的組成等都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果[7]。物體的表面越光滑，顏色越深等條件都會(huì)影響掃描精度[8·]。對(duì)于光滑反光的物體，要噴上顯影劑，這樣成像精度才會(huì)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(shù)設(shè)定情況下（圖1為標(biāo)志點(diǎn)標(biāo)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(jié)果如圖3所示，當(dāng)噴上顯影劑后掃描結(jié)果如圖4所示。從該比較可以看出，對(duì)于光滑反光的物體如果不噴上顯影劑，將會(huì)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(jié)果

圖4 噴顯影劑后的掃描結(jié)果

3.2 標(biāo)定的因素

在物體標(biāo)定過程中，如果標(biāo)定點(diǎn)的位置貼得不正確，也會(huì)導(dǎo)致掃描精度出現(xiàn)一定的問題。在標(biāo)定點(diǎn)貼的過程中，標(biāo)定點(diǎn)不能貼得太近太規(guī)范，比如全部排成一條線，或者一個(gè)圓等規(guī)則圖形，這樣的貼法會(huì)導(dǎo)致最后的掃描結(jié)果不理想，導(dǎo)致掃描精度受到影響，如圖5所示，在零件上不同部位因?yàn)橘N標(biāo)記點(diǎn)的方法不同，掃描的結(jié)果就不一樣。前部分（見圖5A處）貼的標(biāo)記點(diǎn)間隔很近，而且成一條直線，最后導(dǎo)致掃描效果很差，零件的后部分（見圖5B處）貼的標(biāo)記點(diǎn)間隔合理，而且不完全成一條直線，在相同的掃描環(huán)境下，掃描結(jié)果優(yōu)于標(biāo)記點(diǎn)成一條直線的。另外，在物體兩個(gè)面的聯(lián)結(jié)處，需要貼標(biāo)定點(diǎn)，有利于在零件的掃描過程中光滑過渡，否則會(huì)造成圖片之間沒有聯(lián)結(jié)點(diǎn)，使掃描結(jié)果產(chǎn)生異常，降低掃描精度[9～10]。

圖5 標(biāo)記點(diǎn)貼成一條直線與不成直線的區(qū)別

3.3 掃描方法

在掃描過程中，在沒有自動(dòng)轉(zhuǎn)塔的情況下，當(dāng)用手移動(dòng)物體時(shí)，一定要按著一定的順序依次移動(dòng)。而且，在第一次掃描和第二次掃描的轉(zhuǎn)換過程中，一定要有3個(gè)以上共同的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，否則掃描圖形將會(huì)因?yàn)闆]有共同的坐標(biāo)而出現(xiàn)多視錯(cuò)誤。如圖6所示，在掃描過程中，無(wú)序轉(zhuǎn)動(dòng)零件導(dǎo)致掃描結(jié)果異常。

圖6 有序轉(zhuǎn)動(dòng)

而圖7中的結(jié)果表明，有序轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，掃描結(jié)果完整。

圖7 有序轉(zhuǎn)動(dòng)

3.4 掃描環(huán)境影響

在掃描過程中，掃描環(huán)境對(duì)掃描精度也有影響。比如光線、溫度、濕度、浮塵、曝光率、震動(dòng)等都對(duì)掃描精度有影響。光線太強(qiáng)，溫度太高等都不利于掃描結(jié)果的完成。如果掃描環(huán)境有震動(dòng)的情況，需要對(duì)掃描儀進(jìn)行重新標(biāo)定。

3.5 儀器本身誤差

在非接觸式測(cè)量方法中，結(jié)構(gòu)光法被認(rèn)為是目前最成熟的三維形狀測(cè)量方法，在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。但即使是最成熟的測(cè)量方法，儀器本身也存在對(duì)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(yīng)，對(duì)突變的臺(tái)階和深孔結(jié)構(gòu)等都容易產(chǎn)生掃描數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)然，這只是儀器本身影響掃描精度的一個(gè)方面，還有很多其他方面，比如，對(duì)于表面突變的物體，由于儀器掃描時(shí)在陡峭面往往發(fā)生相位突變，使測(cè)量精度大大降低等。另外，在儀器的標(biāo)定過程中，如果由于操作者經(jīng)驗(yàn)不豐富，導(dǎo)致掃描角度沒有調(diào)好，都會(huì)影響測(cè)量誤差。

3.6 數(shù)據(jù)處理誤差

當(dāng)數(shù)據(jù)掃描完成后，還需要導(dǎo)入專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)處理過程中，要降低噪聲處理，孤立點(diǎn)處理，非連接項(xiàng)處理、全局注冊(cè)等，這些處理都會(huì)丟失部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，或多或少都會(huì)影響測(cè)量精度。如圖8所示，即在點(diǎn)云處理過程中，在非連接項(xiàng)處理時(shí)，圖8中C處本為零件部分點(diǎn)云，但由于在掃描時(shí)沒處理好，導(dǎo)致掃描不完整，此時(shí)將被作為非連接項(xiàng)被軟件刪除掉，這樣就會(huì)導(dǎo)致零件的掃描結(jié)果不準(zhǔn)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(shí)處理方式不合理，就會(huì)讓本來(lái)尖銳的地方變得圓滑，從而導(dǎo)致掃描結(jié)果失真。或者由于貼標(biāo)記點(diǎn)位置在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中是不完整的，轉(zhuǎn)變?yōu)槿敲嫫笫且粋€(gè)個(gè)的小洞，在補(bǔ)洞的過程中，如果操作者不熟練，也會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)孔的數(shù)據(jù)與原來(lái)模型差別較大。

圖8 點(diǎn)云處理過程

4 減少掃描誤差的措施

在使用三維掃描儀進(jìn)行掃描過程中，為避免引起掃描誤差因素的出現(xiàn)，掃描過程中，應(yīng)做好以下幾點(diǎn)工作：

（1）首先，要調(diào)整好儀器設(shè)備，比如掃描角度等，特別是標(biāo)定時(shí)一定要達(dá)到儀器設(shè)備要求的標(biāo)定精度，否則掃描精度一定會(huì)不好。

（2）其次，要營(yíng)造一個(gè)良好的掃描環(huán)境，選擇合適的光線和溫度和濕度，在沒有震動(dòng)的情況下進(jìn)行掃描。

（3）對(duì)于容易變形的物體，盡量不要移動(dòng)物體，可以考慮移動(dòng)掃描儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

（4）在標(biāo)定時(shí)，標(biāo)定點(diǎn)不要貼成一條直線等太規(guī)則的形狀，而且在兩聯(lián)結(jié)面處需要貼標(biāo)定點(diǎn)，用于掃描過渡。

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

（6）在軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，要選擇合適的點(diǎn)云導(dǎo)入百分比，特別在處理非聯(lián)結(jié)項(xiàng)時(shí)，如果掃描數(shù)據(jù)丟失過多，則導(dǎo)致掃描結(jié)果嚴(yán)重失真。

5 結(jié)論

綜上所述，三維激光掃描的應(yīng)用非常廣泛，要想獲得比較精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，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(jìn)而獲得良好的檢測(cè)效果。