三維掃描儀在產(chǎn)品設(shè)計中的運(yùn)用

姚奇志 劉勇 南華大學(xué)設(shè)計學(xué)院 421001

三維掃描儀在產(chǎn)品設(shè)計中的運(yùn)用

姚奇志 劉勇 南華大學(xué)設(shè)計學(xué)院 421001

三維激光掃描系統(tǒng)，也稱為三維激光成像系統(tǒng)，主要由三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件組成，其目的是快速、方便、準(zhǔn)確地獲取物體空間三維坐標(biāo)，建立三維立體模型，以便對模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。激光三維掃描技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)勢正在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。但是在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中，其技術(shù)特點(diǎn)，還有其局限性，還有待于更進(jìn)一步完善。本文從一個工業(yè)設(shè)計使用者的角度，從自身的工作需求出發(fā)，提出從改善工作方式等方面來最大限度的利用好三維掃描儀。本課題旨在討論三維掃描儀對工業(yè)設(shè)計的應(yīng)用，以及在產(chǎn)品設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題和解決方案。

Three-dimensional laser scanning system, which is also called three-dimensional laser imaging system,mainly composed by three-dimensional laser scanner and system software. Its aim is to acquire three-dimensional space coordinates of object fast,easily and accurately, establish three-dimensional model, so as to do further analysis, data processing and application for the model. Threedimensional laser scanning technology is playing an increasingly important role in all works of life with its unique advantages. However, in the field of industrial product design, its technical characteristics,as well as its limitations, remains to be further improved. This paper views from the angle of industrial designers, starting from their own work demands, put forward some ways to make full use of three-dimensional scanner such as improving working method. This issue aims at discussing the application of three-dimensional scanner to industrial design, and problems and solutions in the process of product design.

一、三維掃描在產(chǎn)品設(shè)計中的適用性研究

傳統(tǒng)工程學(xué)是研究如何將工程概念和模型轉(zhuǎn)換成實(shí)際產(chǎn)品(即正向建模)，而逆向工程學(xué)是研究如何將實(shí)際物品還原成計算機(jī)可接受的工程概念和模型。逆向工程以物體的實(shí)際測量數(shù)據(jù)為源頭，目標(biāo)是從測量數(shù)據(jù)推演出物體的實(shí)體幾何模型從而拓展計算機(jī)建模的新優(yōu)勢。逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域可以被歸類為以下類:第一，在沒有設(shè)計圖情況下，如何拷貝一個真實(shí)的產(chǎn)品(如實(shí)物文化遺產(chǎn)數(shù)字保護(hù)、機(jī)械零件設(shè)計圖還原);第二，在沒有設(shè)計圖情況下，如何修改、創(chuàng)新出一個新的產(chǎn)品(如經(jīng)典雕塑的再設(shè)計、民族玩具的跨民族化);第三，對美學(xué)要求極為苛刻的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計，即先有指定比例的粘土、木制概念產(chǎn)品，然后才設(shè)計計算機(jī)模型(如汽車A曲面設(shè)計、卡通人物面部設(shè)計);第四，量身定制的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(如頭盔、太空服)。正向建模是通過設(shè)計師的設(shè)計思想指建模過程，而逆向建模是通過實(shí)體模型數(shù)據(jù)引導(dǎo)建模過程。逆向工程的最終目標(biāo)是從測量數(shù)據(jù)中完全的、智能的還原出設(shè)計師的原始設(shè)計思想。

（1）曲面掃描

在機(jī)械和玩具的設(shè)計中，并不是所有的產(chǎn)品都能由CAD設(shè)計出來，尤其是具有非標(biāo)準(zhǔn)曲面的產(chǎn)品。在某些情況下常采用“直覺設(shè)計”，設(shè)計師直接用膠泥、石膏等做出手工模型，或者需要按工藝品的樣品加工。過去，這一工作主要依靠三坐標(biāo)測量機(jī)來完成，它精度雖高，但價格昂貴，且操作復(fù)雜，特別當(dāng)物體形狀復(fù)雜時，測量速度很慢，更不用說實(shí)現(xiàn)在線檢測了。隨著三維掃描儀的出現(xiàn)，一切開始變得簡單易行了。進(jìn)入90年代后，歐美的許多大汽車公司、機(jī)械加工生產(chǎn)和裝配廠都裝備了三維掃描儀，用于產(chǎn)品外形和零件的測量。用三維掃描儀對這些樣品、模型進(jìn)行掃描，可以得到其立體尺寸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能直接與各種CAD/CAM軟件接口，在CAD系統(tǒng)中可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整、修補(bǔ)，再送至數(shù)控加L或快速成型設(shè)備制造中心。特別是它能實(shí)現(xiàn)快速的三維在線測量，這是過去的手工測量和CMM所無法做到的。在發(fā)達(dá)國家的制造業(yè)中，三維掃描儀作為一種快速的立體測量設(shè)備，因其測量速度快、精度高、無接觸、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越廠一泛的應(yīng)用，大有取代二坐標(biāo)測量機(jī)之勢，甚至在制鞋業(yè)這種“老”行業(yè)中，美國人也引入了三維掃描儀用于鞋楦的二維測量。

（2)工業(yè)仿制

仿制是工業(yè)加工中的一項(xiàng)重要任務(wù)，測量其尺寸是仿制的第一步。三維掃描儀能快速測得零件表面每個點(diǎn)的坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)送入CAD系統(tǒng)和數(shù)控加工設(shè)備，很快就能得到一模一樣的產(chǎn)品。美國80年代就將基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的三維掃描設(shè)備用于流水線上的零件檢測。

零件在流水線上移動，三維掃描儀實(shí)時地測得零件的三維尺寸，然后輸入計算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比，其精度可達(dá)到0.02mm。

二、三維掃描在產(chǎn)品設(shè)計中的局限性和難點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用中，激光三維掃描儀也因其固有的特點(diǎn)。給其傳統(tǒng)工作方式帶來了便捷和新的挑戰(zhàn)。本部分就產(chǎn)品設(shè)計過程三維掃描儀的運(yùn)用關(guān)鍵步驟進(jìn)行探討和研究。對于三維掃描儀在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的運(yùn)用，我們常常這樣簡要的表達(dá)：它能快速精確地完成某一件的仿制加工或是模具的設(shè)計，你只需對著需仿制或復(fù)制的物品進(jìn)行掃描，得到物體的計算機(jī)的三維圖像(數(shù)字模型)，再與數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接，一件與真實(shí)物品完全一樣的仿制品就完成了。但是這是一個非常簡化了的理想狀態(tài)，在實(shí)際中我們常常遇到許多問題。比如：

（1）噴涂物噴涂與清洗的普適性。

（2）掃描死角的處理。

（3）表面數(shù)據(jù)處理與重建重建的問題。

其中表面重建是產(chǎn)品設(shè)計中要解決的核心問題。因?yàn)楫a(chǎn)品模型絕大多數(shù)是粘土，石膏，金屬易得材料，噴涂物為白堊土，不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即使粘土模型無法清洗也可以拋棄和利用石膏模型替代和重建。掃描死角也可以通過分割模型來進(jìn)行抄數(shù)。這些無非只是增加一些設(shè)計成本。不是無法逾越的技術(shù)障礙。

三、掃描與重建的難點(diǎn)

三維掃描儀正是迎合了逆向工程設(shè)計所需的，然而數(shù)據(jù)殘缺是激光三維掃描過程中不可避免的問題。本文小動物模型實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得了較好的效果。本文研究對象是通過激光掃描儀獲得的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于各種誤差和噪聲的存在，將造成原始數(shù)據(jù)的不規(guī)則，給表面重建帶來困難。因此，必須對三維原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。掃描系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

測量范圍即有效掃描范圍：直徑為0.4米，高度為0.4米的圓柱體的范圍。典型的分辨率為：水平分辨率為0.1mm，深度分辨率為0.1mm，垂直分辨率為0.2mm，系統(tǒng)的掃描時間為30.7秒。

（1）：定標(biāo)球選取

為了提高重建的速度和精度，需要在場景中放置定標(biāo)球，定標(biāo)球的底座上帶有磁鐵，可以方便地放在需要的位置上。在兩個不同的視點(diǎn)上，應(yīng)該有至少三個公共定標(biāo)球，如果是三個定標(biāo)球，則這三個定標(biāo)球不應(yīng)位于同一條直線上;如果是四個定標(biāo)球，則這四個定標(biāo)球不應(yīng)位于同一個平面上。對于比較小的場景，最好在各個視點(diǎn)都能看到1號定標(biāo)球(比如對于小熊（圖一，可將1號定標(biāo)球放在小熊部上方的位置)，這樣會提高點(diǎn)云合并時的精度，有利于三維模型的重建。

圖一 小熊與定標(biāo)球的體量關(guān)系

（2）：光環(huán)境清理

一般情況下，盡量在最合適的條件(溫度、濕度、振動等)下使用掃描儀，這里主要強(qiáng)調(diào)一下現(xiàn)場光線對掃描結(jié)果的影響。由于SOIsIC掃描儀采用的是主動式掃描(即發(fā)射激光)，所以過于強(qiáng)烈的現(xiàn)場光線會對掃描結(jié)果產(chǎn)生一定的干擾。在進(jìn)行掃描時，盡量使現(xiàn)場光線變暗(如關(guān)掉燈光、拉上窗簾等)，在掃描完一個視點(diǎn)后，打開現(xiàn)場光源，在不移動位置的情況下，切記進(jìn)行視頻采集，以利于點(diǎn)云合并和對三維模型貼紋理。另外，激光二極管需要預(yù)熱到一定的溫度后才能開始工作，所以在寒冷的冬季，需要加長預(yù)熱時間。

（3）云圖預(yù)處理

我們己經(jīng)可以得到被掃描對象的點(diǎn)云圖。圖二是我們對從5個視點(diǎn)的點(diǎn)云圖進(jìn)行注冊、合并、融合以及切除雜散點(diǎn)后所得到的小熊云圖。由于我們這次掃描時間有限，所以很明顯可以看到小熊右膝下有空洞，這主要是由于掃描不到位引起的。這樣的數(shù)據(jù)會對三維數(shù)據(jù)的建模帶來很大的困難。在在掃描過程中，雜散光、背景光或者系統(tǒng)運(yùn)行中的其他一些意外因素等產(chǎn)生了一些不屬于掃描實(shí)物的本身的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也被記錄到了數(shù)據(jù)文件中。因此在對激光掃描獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)重建之前，必須對噪聲點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。噪聲點(diǎn)去除的目的是為了獲得能夠較準(zhǔn)確反映物體真實(shí)信息，目前已經(jīng)提出多種方法。最簡便可靠仍然是最大體量法。

圖二掃描得到的云點(diǎn)

(a)最大聯(lián)通域法去除雜點(diǎn)

噪聲點(diǎn)去除的目的是為了獲得能夠較準(zhǔn)確反映物體真實(shí)信息，目前已經(jīng)提出多種方法，求最大連通域法是剔除游離在數(shù)據(jù)外噪聲點(diǎn)的一種比較有效的方法。其基本原理：對于原始數(shù)據(jù)點(diǎn)集D，分別找到其在x,y,z三個方向上的最大最小值xmax,xmin,ymax,ymin,zmax,zmin。建立平行于坐標(biāo)軸的最小包圍盒：B=[xmin,xmax]×[ymin,ymax]×[zmin,z m a x]。然后，選取一個適當(dāng)?shù)闹礵istance，從而將包圍盒分割為nx×ny×nz個平行的小立方體。將D中所有的點(diǎn)都分配進(jìn)這些立方體，每一個含有數(shù)據(jù)點(diǎn)立方體和其周圍26個相鄰立方體中含有數(shù)據(jù)點(diǎn)的立方體在同一連通域中。通過找到一個含有最多小立方體的連通域即為保留的數(shù)據(jù)點(diǎn)集。如圖三所示，上圖中顯示的原始數(shù)據(jù)含有雜散點(diǎn)，下圖中保留了最大的連通的數(shù)據(jù)集，去掉了游離于外的數(shù)據(jù)點(diǎn)，成功地刪除了雜散點(diǎn)。參數(shù)distance的值要根據(jù)數(shù)據(jù)的密度進(jìn)行確定，太大，不能成功刪除雜散點(diǎn)；太小則會刪除過多的點(diǎn)。

圖三 最大聯(lián)通法去除雜點(diǎn)

(b）數(shù)據(jù)點(diǎn)的平滑

受測量過程中隨機(jī)誤差以及數(shù)據(jù)采集時對空間連續(xù)光帶的離散采樣等因素的影響，采集后獲取的數(shù)據(jù)一般是不光滑的，其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)會輕微偏離原始位置，因此，一般需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。對于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，直接采用平均算法進(jìn)行處理，首先將輪廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行分行，對于每一行數(shù)據(jù)圖（圖四中上圖為所截取小熊背部部的一行數(shù)據(jù)中的一段，在右下角的部分有較明顯的小的鋸齒狀的起伏，圖四下圖中經(jīng)過平滑后有所改善。）經(jīng)過上述處理后，數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置會有所變動，但是由于采集到的數(shù)據(jù)十分密集，這種位置的變動不會導(dǎo)致曲線形狀的失真，只會使數(shù)據(jù)點(diǎn)變得更加平滑。數(shù)據(jù)平滑過程需在數(shù)據(jù)雜散點(diǎn)消除過程之后進(jìn)行，否則雜散點(diǎn)將會對平滑結(jié)果有顯著影響。

(c)數(shù)據(jù)點(diǎn)的簡化

利用光帶法可以在短時間內(nèi)獲取大量的數(shù)據(jù)，被測物體表面輪廓越大、要求采集的分辨率越高，則獲取的數(shù)據(jù)集就越大。這樣密集的數(shù)據(jù)在處理、存儲、顯示和傳輸過程中都會占用很多系統(tǒng)資源，使得處理速度緩慢，運(yùn)算效率低下。因此有必要在滿足一定條件下，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，使得簡化后的數(shù)據(jù)既保留了物體表面的有用信息，又在數(shù)量上大大降低，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效處理。

對數(shù)據(jù)簡化可以通過以下兩種方法來實(shí)現(xiàn)：第一種，在數(shù)據(jù)采集階段根據(jù)要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化。在數(shù)據(jù)采集階段，我們可以根據(jù)分辨率要求以及被測物體表面的形狀對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理簡化?？赏ㄟ^調(diào)整豎直方向采樣間隔以及光帶圖像采樣間隔來實(shí)現(xiàn)。豎直方向采樣間隔越大，獲取的數(shù)據(jù)量就越小，同樣，在對光帶圖像進(jìn)行采樣時，不必對每一個像素都進(jìn)行計算，可以以一定間隔對光帶進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的簡化。這種方法在數(shù)據(jù)簡化的效果上是十分可觀的，會使數(shù)據(jù)量成倍地下降，但是此時也會降低獲取數(shù)據(jù)的分辨率。第二種方法是在獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用一定的算法來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的簡化。

根據(jù)數(shù)據(jù)密度的需要從中均勻剔除部分冗余點(diǎn)即可。經(jīng)過上述處理后，數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置會有所變動，但是由于采集到的數(shù)據(jù)十分密集，這種位置的變動不會導(dǎo)致曲線形狀的失真，只會使數(shù)據(jù)點(diǎn)變得更加平滑。數(shù)據(jù)平滑過程需在數(shù)據(jù)雜散點(diǎn)消除過程之后進(jìn)行，否則雜散點(diǎn)將會對平滑結(jié)果有顯著影響。圖四為對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑的效果圖，從圖中可以看出，處理后的曲線不但較好地保留了原始曲線的形狀，同時還消除了數(shù)據(jù)中一些突出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的平滑和簡化。

圖四 數(shù)據(jù)點(diǎn)的簡化和平滑

(d)殘缺數(shù)據(jù)常用的處理方法

在用激光三維掃描儀對被掃描對象掃描的過程中，由于受到掃描對象、現(xiàn)場環(huán)境、掃描速度和時間等的限制，導(dǎo)致三維物體的某些部分獲取的數(shù)據(jù)不完整，造成三維數(shù)據(jù)的殘缺，于是在三維建模過程中，就會出現(xiàn)由于殘缺數(shù)據(jù)造成三維建模時出現(xiàn)局部空洞，這種現(xiàn)象在被掃描對象的外形比較復(fù)雜(如兵馬俑，雕塑或考古現(xiàn)場)時更容易發(fā)生。實(shí)際上，這些洞的產(chǎn)生主要原因是因?yàn)橛捎谳^低的反射率、掃描儀位置設(shè)置(即視點(diǎn))等的限制，或者僅僅是由于激光掃描儀的掃描光束的直線探測而造成。此外，由于物體的結(jié)構(gòu)或者掃描過程中操作者的問題，也會導(dǎo)致局部殘缺數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

軟件雖然對于諸如管道、階梯等工程上具有規(guī)則外型的實(shí)體可以進(jìn)行高速度、高質(zhì)量、高精度的快速建模，但是對于沒有明顯外型規(guī)律的兵馬俑實(shí)體，這二個特點(diǎn)卻不能被很好的體現(xiàn)出來。因此在對模型表面進(jìn)行處理的過程中，不得不進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的修補(bǔ)工作，而這些修補(bǔ)工作都是手工進(jìn)行的。要提高工作的效率，就必須對該軟件的應(yīng)用熟練掌握，并清楚各個功能的使用條件，且要清楚各個功能之間的差別所在。

對殘缺數(shù)據(jù)產(chǎn)生的空洞的處理方法可總結(jié)如下:

其一：對于那些具有多重邊界空洞，可選擇合適的(可能不是圓盤的)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)造三角面片。

其二：根據(jù)重采樣原理，對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣，以便補(bǔ)齊缺損的數(shù)據(jù)。

其三：在掃描過程中，盡可能在多視點(diǎn)的情況下進(jìn)行掃描，以便獲取完整的數(shù)據(jù)。

其四：利用體模糊的方法來對殘缺數(shù)據(jù)造成的空洞進(jìn)行填補(bǔ)。

在對小熊行建模的過程中，我們對于紋理較為復(fù)雜的部位(如:臉部)進(jìn)行了精掃，在做數(shù)據(jù)處理時，可以將這些部分切出來，用較高的精度進(jìn)行三角化，這樣做可以使這些較復(fù)雜的表面特征得以充分體現(xiàn)。如果選用的精度不夠高，可能會出現(xiàn)模糊失真。但是，在實(shí)際掃描過程中，由于掃描時間有限，雖然對小熊五個視點(diǎn)可以基本反映小熊的外部特征，但是某些少數(shù)部位，如:右腿的腳面部位(如圖5.2所示)、被腿遮住的部分腹部仍然沒有掃描到，造成局部數(shù)據(jù)的殘缺。這時就需要軟件人工模糊補(bǔ)償。

四、總結(jié)與展望

本文主要研究的是激光三維掃描數(shù)據(jù)的在工業(yè)設(shè)計中表面重建技術(shù)，針對激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)的消雜散、數(shù)據(jù)的平滑和簡化及三維表面重建方面的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)三維效果顯示。由于激光掃描技術(shù)的發(fā)展，通過激光掃描獲取的數(shù)據(jù)正變得越來越復(fù)雜、數(shù)據(jù)量越來越大，對其進(jìn)行表面重建技術(shù)應(yīng)用是一個需要深入研究的問題，本論文所做的工作仍然是比較初步的研究。

在今后的工作中，還可以從以下幾個方面進(jìn)行完善并作進(jìn)一步的研究：

（1）在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，應(yīng)該采用更加精細(xì)的多元判據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的識別與整理，以便能夠?yàn)檫M(jìn)行的更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)預(yù)處理作更好的鋪墊。

（2）在數(shù)據(jù)的表面重建方面，應(yīng)該加強(qiáng)重建表面空洞的判別和填補(bǔ)方面的研究，并為填補(bǔ)后的表面增加后續(xù)的平滑處理，使修補(bǔ)后的部分和原部分從視覺上很好地切合在一起。

（3）在三維數(shù)據(jù)的重建中，應(yīng)該盡可能加強(qiáng)與其他軟件之間的溝通（比如：3dmax）加強(qiáng)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上減少程序的復(fù)雜度，使程序的運(yùn)行速度更加快速。

總之，三維可視化技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的和需要深入、廣泛研究的技術(shù)，它具有廣闊的應(yīng)用前景，是將來數(shù)字化設(shè)計中不可缺少的重要組成部分。

[1]吳福生，丁玉成，盧秉恒.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)復(fù)雜曲面產(chǎn)品的快速開發(fā).西安交通大學(xué)學(xué)報.2001

[2]許智欽,孫長庫.逆向工程技術(shù).中國計量出版社.2002

[3]劉之生,黃純芝.反求工程技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.1992.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.064

湖南省教育廳課題07C644