李振

利用激光掃描技術(shù)能夠非常方便地獲取被測(cè)物體的三維信息并建立模型，但儀器設(shè)備價(jià)格較高，不能很好地應(yīng)用于課堂教學(xué)。文章設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的三維激光掃描實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的三維掃描功能，滿足基本的教學(xué)需要。

【關(guān)鍵詞】激光 掃描 裝置

1 前言

在現(xiàn)代檢測(cè)領(lǐng)域的很多場(chǎng)合，我們需要快速、準(zhǔn)確、有效地獲取空間三維信息。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)主要是單點(diǎn)精確測(cè)量，可以很方便的測(cè)量出工件的幾何參數(shù)，但是用來(lái)建模就很困難。理論上，我們可以對(duì)一個(gè)物體測(cè)量許多個(gè)點(diǎn)，然后根據(jù)這些點(diǎn)的參數(shù)來(lái)建立物體的三維模型。為了準(zhǔn)確描述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的完整屬性，需要大量的測(cè)量點(diǎn)采集，少則幾萬(wàn)個(gè)，多則幾百萬(wàn)以上，如果用傳統(tǒng)的測(cè)量方法，工作量太大，效率太低。

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法和技術(shù)很難快速準(zhǔn)確地獲取各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則被測(cè)物體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)信息。利用三維激光掃描技術(shù)，可以迅速地獲取將被測(cè)物體的多維數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而可以快速?gòu)?fù)現(xiàn)被測(cè)物體的三維實(shí)體模型。同時(shí)，還可以對(duì)激光掃描中獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析、仿真分析、任務(wù)模擬等后續(xù)的處理工作，也可以作為UG、CAD、有限元等各種正向工程工具對(duì)稱應(yīng)用的工具。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用廣泛，但是成本也較高。本文介紹一種簡(jiǎn)易的三維激光掃描實(shí)驗(yàn)裝置，利用一些簡(jiǎn)單的元器件即可組裝，完成基本的掃描任務(wù)，可較好地應(yīng)用于課堂教學(xué)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理

由激光發(fā)射器將紅外光照射到被掃描物體上，利用改進(jìn)后的攝像頭（只能吸收紅外光）對(duì)物體進(jìn)行拍攝。攝像頭采集的信息經(jīng)軟件處理后生成點(diǎn)云，再將點(diǎn)云模擬成物體的具體形狀，實(shí)現(xiàn)三維掃描功能。

3 元器件的選用

3.1 激光發(fā)射器的選用

激光發(fā)射器的作用是產(chǎn)生激光并將其照射到被掃描物體上。激光照射到物體表面一般有兩種類型，點(diǎn)狀和線狀。線型光照射到被測(cè)物體反射后得到的是一個(gè)掃描截面的數(shù)據(jù)，所以采用線型光可以加快掃描速度，精度也較高。雖然線型光的光亮強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增加而衰減，但是當(dāng)被掃描的物體距離較近時(shí)，完全可以滿足要求。

對(duì)于激光發(fā)射器的選擇，主要考慮發(fā)射波長(zhǎng)和功率。本裝置建議選用波長(zhǎng)為850nm的紅外激光發(fā)射器，與后續(xù)的紅外濾光片相配套（見(jiàn)“攝像頭的選用”）。為了能夠縮短攝像機(jī)曝光速率進(jìn)而從畫面上過(guò)濾到環(huán)境光的干擾，一般選擇較高的激光器功率。選擇較高功率的激光器還可以增加掃描距離。但是，選擇激光發(fā)射器時(shí)還應(yīng)考慮安全問(wèn)題，功率越大，存在的安全隱患也越大。所以，本裝置不宜選取功率較大的激光發(fā)射器，建議選擇功率小于100MW的激光器，并時(shí)刻注意在使用時(shí)不能用眼睛直視。

3.2 攝像頭的選用

攝像頭的作用是采集圖像信息。如果攝像頭只能采集物體表面被照射的光線而不采集其他光線，這樣成像的效果最好，可大大減小環(huán)境干擾。一般市面常見(jiàn)的USB VGA攝像頭（像素越高越好）即可滿足要求，但是需要對(duì)其做一改進(jìn)。為了能夠使攝像頭只采集物體表面上的光線，需要移除攝像頭鏡片中的紅外截止濾光片，自行安裝一個(gè)紅外濾光片。

紅外濾光片允許紅外光透過(guò)而對(duì)可見(jiàn)光截止，它的透光波長(zhǎng)范圍要與前面所選的紅外激光發(fā)射器波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。如果不移除紅外截止濾光片，則只能夠感受到很微弱的紅外信號(hào)。

3.3 伺服電機(jī)的選擇

為了能夠掃描物體的全部或某一特定輪廓形狀，需要激光發(fā)射器與攝像頭一起相對(duì)被掃描物體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)有兩種方式，即手動(dòng)與自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)形式最簡(jiǎn)單的方法就是手持物體或激光器使其旋轉(zhuǎn)，另外一種方法就是將激光器安裝在專用支架上，然后手動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整。自動(dòng)形式則需要采用步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)，帶動(dòng)激光器或者物體做精確的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)某一指定的角度。

本實(shí)驗(yàn)裝置中選用的攝像頭幀率是30fps，掃描速度不快，對(duì)步進(jìn)電機(jī)無(wú)太高要求，只要能夠直接控制定位到指定角度，驅(qū)動(dòng)相對(duì)容易即可。普通的標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)雖然精度相對(duì)較低，但是考慮到本裝置的成本與使用場(chǎng)合，可滿足要求。

4 圖像的處理和渲染

利用專門軟件對(duì)攝像頭采集的圖像信息進(jìn)行處理，生成點(diǎn)云，從而建立被掃描物體的三維模型。由于采用了紅外激光器，在加裝濾光片后，背景光干擾被有效的去除。畫面上除了激光光斑外，幾乎看不到別的內(nèi)容。紅外激光在攝像頭中將以偏紫色的色彩顯示。一般情況下，可自行編寫軟件來(lái)查看3D點(diǎn)云，也可以利用開(kāi)源的MeshLab、Matlab、Blender等工具查看點(diǎn)云。對(duì)于一般的實(shí)驗(yàn)裝置，可以選擇david-laserscanner或者blender軟件，這兩款軟件使用方便、功能強(qiáng)大。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在市面上有很多三維激光掃描裝置，功能強(qiáng)大并且精度很高，但是價(jià)格不菲。文中介紹的掃描實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要明白了工作原理，完全可以自己組裝，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的掃描功能，價(jià)格低廉，非常適用于課堂教學(xué)和學(xué)生的課外知識(shí)拓展。但是本實(shí)驗(yàn)裝置也存在一些問(wèn)題，比如掃描精度有待提高，如何將多次掃描的點(diǎn)云對(duì)接起來(lái)等。相對(duì)于幾千元甚至數(shù)萬(wàn)元的激光掃描儀，該實(shí)驗(yàn)裝置具有非常高的性價(jià)比。

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作者單位

九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西省九江市 332007endprint