大型復(fù)雜零件的三維掃描測量精度研究

朱操

摘 ?要：眾多測量儀器，經(jīng)過我們多方面的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，非接觸式三維掃描儀能夠更快更準(zhǔn)確的獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用建模軟件，加上之前獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合多方面因素進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，重新建立物體的三維模型，這樣一來得到的測量結(jié)果具有更精確的測量度，而且測量的速度也有了很大的提高。同時，隨著測量技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，非接觸式三維測量技術(shù)也在多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，但本文僅對掃描工作方面進(jìn)行了深刻的研究，為了滿足高精度高效率的要求，我們做出了很多的實(shí)驗(yàn)以及改善。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜型面;三維掃描;掃描誤差;改善精度

三維掃描儀是結(jié)合多種技術(shù)為一體的綜合性高新技術(shù)，應(yīng)用也很廣泛，主要應(yīng)用于對物體空間坐標(biāo)獲取的需求，可以準(zhǔn)確的掃描成像，提高測量的精確度，獲取更為準(zhǔn)確的結(jié)果，而且高速三維掃描技術(shù)和數(shù)字化系統(tǒng)的結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著巨大作用。

一、三維掃描系統(tǒng)組成

以下示意圖是三維掃描系統(tǒng)的構(gòu)成，本文實(shí)驗(yàn)中所采用的是非接觸式三維掃描儀，主要由工業(yè)相機(jī)1個、光源1個（投影儀）、標(biāo)定板1個、以及PC機(jī)1臺組成，如圖1所示。

三維掃描儀的主要硬件有：（a）工業(yè)相機(jī);（b）光源;（c）標(biāo)定板;（d）三腳架;（e）云臺，如圖2所示。

二、三維激光掃描儀的測量原理

如圖3所示，是三維激光掃描測量過程的示意圖。過程所表達(dá)的是三維激光掃描測量的工作原理，也就是采用了物理學(xué)中的光學(xué)三角形法：利用具有比較規(guī)則的幾何形狀的激光源，經(jīng)過光鏡投影到被測物體的表面上，然后把形成的漫反射圖像再安置于空間某一位置的圖像傳感器上成像，最后按照三角形的本質(zhì)原理，就可以測出被測點(diǎn)的空間坐標(biāo)系數(shù)。

三、三維掃描流程

三維掃描的整個過程較為單一，主要流程如下：先是儀器設(shè)備的安裝擺放，之后投影儀對被測物體投射光源，經(jīng)過工業(yè)相機(jī)的內(nèi)部處理和外部的參數(shù)設(shè)置后，相機(jī)會將連續(xù)拍攝的照片傳輸給電腦，電腦接收到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并保存。三維掃描流程如圖4所示。

四、影響激光掃描測量精度的因素

其實(shí)影響激光掃描測量結(jié)果的物理因素有很多，但是總的可以匯總為是因?yàn)檐浖矫嬖蚝陀布矫鎲栴}。通過一系列的調(diào)查可以得出明確的答案，也就是主要原因有機(jī)械動平臺、ccd攝像機(jī)以及激光器等等因素。為了減少影響測量結(jié)果的因素，我們也找出了許多解決辦法，但是如果只從硬件方面提高測量的精度，又會出現(xiàn)一個問題，更換測量儀器，也就是無形中又增加了設(shè)備的成本。然而從軟件方面入手，因素也不少，主要有物像對應(yīng)關(guān)系標(biāo)定、還有激光掃描線中心提取，被測物面表面特征也是其中一個因素，還有光學(xué)成像參數(shù)和光平面位置等因素，這些都對激光的測量精度完成了一定的影響。

4.1被測物體表面特征對測量精度的影響

我們先對其中一個因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)被測物體表面的粗糙度、顏色深淺、還有被測物體的合成材質(zhì)、以及被測物體的傾斜角度影響激光掃描線的成像，這些所提到的因素都是影響測量精度的重要因素。為了進(jìn)一步得到明確的結(jié)果，我們做了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，最后通過切身的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對顏色比較淺的物體進(jìn)行測量所得到的數(shù)據(jù)偏大，對于顏色較深的物體進(jìn)行測量時所得到的數(shù)據(jù)偏小，從而發(fā)現(xiàn)，也就是被測物體的表面顏色越深對測量結(jié)果的影響越大。

4.2激光掃描線中心提取對測量精度的影響

接下來我們對線激光發(fā)生器進(jìn)行了一定的研究，發(fā)現(xiàn)線中心發(fā)出的激光有一定發(fā)散角，而且線中心所形成的帶寬也是不同，不同情況，帶寬不同。于是我們又進(jìn)行深度研究，發(fā)現(xiàn)線中心的帶寬會隨著物面的景深、傾斜角度變化而變化，而且激光掃描線圖像的帶寬的明暗度也在變化;另一方面，還有一個重要的因素也在影響著測量誤差，就是激光發(fā)生器發(fā)出來的光經(jīng)過透鏡的反應(yīng)，而且其能量分布也不均勻，便會產(chǎn)生誤差。

4.3物像對應(yīng)關(guān)系標(biāo)定

在進(jìn)行物像對應(yīng)關(guān)系標(biāo)定的時候，多多少少會有一些誤差存在，主要的誤差原因主要是兩個方面：一個是平臺運(yùn)動的時候發(fā)生的震動，會對結(jié)果造成一定的誤差;另一方面，是由于物體表面過于粗糙，以及光能分布不均勻，對圖像中心線的采集完成了一定程度的影響。這兩個原因都給激光掃描測量帶來了多多少少的影響，完成數(shù)據(jù)上的誤差。

4.4點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)誤差

我們經(jīng)過掃描儀得到的測量結(jié)果，也會存在一定的誤差，同時也會影響最終CAD模型成型所帶來的誤差。其主要誤差的因素主要有以下幾個。

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊所帶來的誤差。因?yàn)槿S掃描測量所得到的結(jié)果，需要進(jìn)行多組數(shù)據(jù)的對齊，最后成像，所以如果組數(shù)據(jù)沒對齊，那么最后cad的成像也會有誤差。

（2）點(diǎn)數(shù)據(jù)過于精煉簡潔所造成的誤差。經(jīng)常會出現(xiàn)這種，的情況，為了后續(xù)處理數(shù)據(jù)方便，節(jié)約時間，對一些龐大的數(shù)據(jù)會進(jìn)行簡化，所以，就會失去一些原始數(shù)據(jù)，那么最終的結(jié)果也會產(chǎn)生誤差。

（3）擬合曲線及曲面所帶來的誤差。點(diǎn)成線，線成面，所以在由點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合成各種曲線，再由曲線形成曲面的時候無法避免這樣所造成的誤差。

總結(jié)

通過本文我們可以知道，采用非接觸式三維掃描儀進(jìn)行對物體的測量，不但可以提高測量的精準(zhǔn)度，也可以提高測量的速度，而且這種測量方式對于復(fù)雜被測物更實(shí)用，因?yàn)樵綇?fù)雜的物體越存在大的誤差，但是非接觸式三維掃描儀可以減少誤差的發(fā)生，也避免了制造出的零件不準(zhǔn)確，不能用于裝配的情況，所以本文的研究對測量儀的發(fā)現(xiàn)，有很大幫助。

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課題項(xiàng)目：遼寧省交通高等?？茖W(xué)校技術(shù)應(yīng)用型科研項(xiàng)目“基于攝影定位的三維掃描技術(shù)開發(fā)”（lnccjyky201910）