基于手持式激光掃描技術(shù)構(gòu)建三維支座模型

陳嬋娟CHEN Chan-juan

（郴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，郴州423000）

0 引言

三維實(shí)體的數(shù)字化是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種快速自動(dòng)化成型技術(shù)，它是實(shí)物仿形技術(shù)的基礎(chǔ)。而要進(jìn)行快速成型技術(shù)就要獲得三維形體信息數(shù)據(jù)，要么用CAD設(shè)計(jì)產(chǎn)品，要么用三維數(shù)字掃描儀復(fù)制產(chǎn)品（如圖1）。三維激光測(cè)量技術(shù)不但可以量取被測(cè)對(duì)象的長(zhǎng)寬高，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸掃描，還能夠把掃描到的信息及時(shí)的轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)，具有四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是獲取數(shù)據(jù)速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；二是數(shù)據(jù)量大，且精度高；三是主動(dòng)性強(qiáng)，支持全天候工作；四是全數(shù)字化，信息傳輸、加工、表達(dá)容易。

圖1 反求工程工藝流程圖

通過(guò)三維激光掃描系統(tǒng)能夠快速獲取區(qū)域的三維空間信息，進(jìn)行三維模型重建，是三維空間數(shù)據(jù)獲取的一種重要技術(shù)。本文以REVscanTM手持激光掃描儀為例，結(jié)合三維激光掃描儀的工作原理，分析和研究從三維數(shù)據(jù)獲取到三維建模的整個(gè)流程。

1 手持式激光掃描原理

手持式激光掃描儀的工作原理是激光三角測(cè)距法，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將一激光線結(jié)構(gòu)光投射到三維物面上，利用CCD攝取物面上的二維變形線圖像，即獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維輪廓圖像。手持式激光掃描系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一套VXscan數(shù)據(jù)處理軟件，主要包括一套手持式自定位掃描儀REVscan，如圖2所示。

該掃描儀的下端小圓孔為十字激光發(fā)射口，激光從該孔中發(fā)射；中間紅色按鈕是觸發(fā)器，按住此按鈕系統(tǒng)開(kāi)始接受數(shù)據(jù)；上端兩個(gè)大圓孔是CCD鏡頭，接收反射回來(lái)的激光；每一個(gè)CCD鏡頭的周?chē)撬膫€(gè)LED發(fā)光點(diǎn)，用于屏蔽周?chē)h(huán)境光對(duì)掃描精度的影響；啟動(dòng)VXscan軟件，并處于接受數(shù)據(jù)狀態(tài)。按住觸發(fā)器，激光發(fā)射孔發(fā)射十字激光，LED發(fā)射紅色屏蔽光。至少有3個(gè)定位點(diǎn)在系統(tǒng)的識(shí)別范圍之內(nèi)，系統(tǒng)才開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。激光從發(fā)射孔發(fā)出，由CCD鏡頭接收，并在VXscan軟件中以直觀的曲面模型的形式表現(xiàn)出來(lái)。REVscan掃描儀的自定位功能可以自動(dòng)記錄定位點(diǎn)在掃描儀系統(tǒng)的空間位置，可以通過(guò)移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)所測(cè)零件以完成對(duì)零件的測(cè)量。VXscan軟件系統(tǒng)通過(guò)保存為*.csf格式進(jìn)行階段性的測(cè)量；輸出為*.stl格式可被大多數(shù)后期處理軟件所通用。

圖2 REVscan掃描儀

2 三維掃描系統(tǒng)的工作流程

手持式激光掃描儀掃描儀的掃描流程可簡(jiǎn)單概括為：著色—貼標(biāo)記點(diǎn)—掃描—輸出點(diǎn)云—點(diǎn)云處理—曲面修復(fù)—反向建模。將舉出兩個(gè)典型的例子來(lái)介紹REVscan掃描儀的一些掃描特性和應(yīng)用技巧。

2.1 三維數(shù)據(jù)獲取

①貼定位點(diǎn)：這是在掃描之前所要做的一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。反光點(diǎn)必須以最小20毫米的距離隨機(jī)地粘貼于工件表面。如果表面曲率變化較小，距離可以達(dá)到100毫米。這些反光點(diǎn)使得系統(tǒng)可以在空間中完成自定位。定位點(diǎn)粘貼時(shí)必須離開(kāi)邊緣12毫米以上。②連接系統(tǒng)啟動(dòng)VXSCAN應(yīng)用程序：在菜單中點(diǎn)擊View—Surface，在擴(kuò)展面板配置激光強(qiáng)度與相機(jī)快門(mén)速度，在菜單欄點(diǎn)擊Configure—Sensor兩種模式可供選擇：手動(dòng)和自動(dòng)。手動(dòng)模式：觸發(fā)器對(duì)準(zhǔn)被掃描面以調(diào)整激光強(qiáng)度和快門(mén)速度。自動(dòng)模式：點(diǎn)擊自動(dòng)調(diào)整按鈕/Auto Adjust，然后將觸發(fā)器對(duì)準(zhǔn)被掃描面。③開(kāi)始掃描：點(diǎn)后按下掃描頭上的觸發(fā)器開(kāi)始掃描。一直按著觸發(fā)器，讓十字激光線慢慢掃遍整個(gè)工件表面。掃描結(jié)果的質(zhì)量受掃描次數(shù)與速度的直接影響，掃描的越多精度越高。距離太近或太遠(yuǎn)都不能繼續(xù)跟蹤掃描。這意味著相機(jī)不再能通過(guò)反光點(diǎn)來(lái)進(jìn)行定位或者反光點(diǎn)分布不合理。如遇不能跟蹤掃描，請(qǐng)將掃描頭置于已被掃描過(guò)的區(qū)域再扣動(dòng)觸發(fā)器或重新粘貼定位點(diǎn)。④編輯掃描數(shù)據(jù)：設(shè)定微面模式，刪除被掃描工件的局部。點(diǎn)擊菜單中View——Facets或樹(shù)狀圖中的Facets節(jié)點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)擊Edit Facets按鈕來(lái)選擇編輯模式。處理后的效果如圖3所示。

圖3 三維數(shù)據(jù)處理效果

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

①雜點(diǎn)的處理：雜點(diǎn)就是測(cè)量錯(cuò)誤的點(diǎn)或明顯遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象表面的孤立的點(diǎn)。對(duì)這樣的點(diǎn)，一般用“斷開(kāi)組件”連接的方式來(lái)進(jìn)行處理，選擇點(diǎn)后按“刪除”鍵進(jìn)行刪除。②噪聲去除：在很多情況下都會(huì)引起噪聲，比如掃描儀受到震動(dòng)、隨機(jī)誤差等，一旦出現(xiàn)這些情況可以點(diǎn)擊“減少噪聲”功能進(jìn)行去除，進(jìn)而保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑性。③冗余點(diǎn)：冗余點(diǎn)是因拼接或測(cè)量角度等問(wèn)題產(chǎn)生重疊的多余的點(diǎn)。應(yīng)該把這些點(diǎn)檢測(cè)出來(lái)，然后進(jìn)行必要的處理。④點(diǎn)云數(shù)量?jī)?yōu)化：由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量很大，應(yīng)該優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)量。

2.3 三維曲面修復(fù)

①構(gòu)建三角網(wǎng)模型：這里的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由不規(guī)則離散點(diǎn)構(gòu)成的，需要構(gòu)成被測(cè)對(duì)象的實(shí)際表。構(gòu)建三角網(wǎng)模型能夠恢復(fù)被測(cè)對(duì)象的拓?fù)潢P(guān)系的真實(shí)表面。②多邊形的修補(bǔ)：如果點(diǎn)云的數(shù)據(jù)不完整，應(yīng)該及時(shí)的手工進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，只有這樣才能保證形成完整的三角網(wǎng)去除特征。③去除多余部分：發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的特征或者是不需要的特征進(jìn)行去除工作。如果無(wú)法去除需要返回上一步進(jìn)行修補(bǔ)，然后再繼續(xù)。④多邊形數(shù)量的調(diào)整：如果形成的三角網(wǎng)模型點(diǎn)云密度很大，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，反之如果密度不夠，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行細(xì)化處理。⑤多邊形的平滑：使用平滑功能可以調(diào)整三角形的褶皺角度，還能夠在這個(gè)過(guò)程中對(duì)模型的局部或整體做平滑處理。⑥多邊形檢測(cè)與校正：總體上要對(duì)整個(gè)三角網(wǎng)模型進(jìn)行一次檢測(cè)，以確定是否還有相交的三角形的地方。⑦提取輪廓線：可以自動(dòng)提取輪廓線或者手工提取輪廓線。⑧編輯輪廓線：可以使用編輯輪廓線功能對(duì)錯(cuò)誤或者不滿意的輪廓線進(jìn)行修理，盡可能保持被測(cè)對(duì)象的自然特征。⑨繪制輪廓線：切換到繪制狀態(tài)，將編輯好額輪廓線連在一起，調(diào)節(jié)好節(jié)點(diǎn)位置，使輪廓線更加準(zhǔn)確，如圖4。⑩構(gòu)造曲面片：輪廓線是基準(zhǔn)線，曲面片的包圍線是基于輪廓線擴(kuò)展的。曲面片的構(gòu)造是為了進(jìn)一步構(gòu)造網(wǎng)格。11○修理曲面片：構(gòu)造曲面片之后一些因素可能會(huì)影響到曲面片，使其發(fā)生錯(cuò)誤，這時(shí)應(yīng)該使用修理曲面片功能對(duì)其進(jìn)行處理，直到不再發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的曲面片，就可以構(gòu)造網(wǎng)格。12○構(gòu)造網(wǎng)格：基于曲面片生成網(wǎng)格，帶綠顏色的網(wǎng)格表示能比較好地?cái)M合曲面，帶紅色的網(wǎng)格是有錯(cuò)誤的網(wǎng)格，針對(duì)這種情況需要重新修理曲面片，調(diào)整一下然后再構(gòu)造網(wǎng)格。13○擬合曲面：網(wǎng)格構(gòu)造好之后就可以基于每一個(gè)曲面片進(jìn)行曲面擬合工作，生成NURBS曲面。14○偏差分析：先選中查看偏差區(qū)域，點(diǎn)擊“擬合連接”圖標(biāo)，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算面與點(diǎn)間的偏差。15○修復(fù)、修建縫合曲面：選中有問(wèn)題的曲面，采用修復(fù)曲面圖標(biāo)進(jìn)行修復(fù)，而后采用“修建縫合”圖標(biāo)對(duì)曲面進(jìn)行縫合。各步處理的支架效果如圖5所示。

圖4 輪廓線的處理效果

圖5 分步曲面創(chuàng)建效果

2.4 參數(shù)導(dǎo)入建模

①參數(shù)交換：選擇曲面對(duì)象，采用“曲面工具欄”上的“參數(shù)交換”圖標(biāo)，點(diǎn)擊“在CAD中創(chuàng)建特征成功”項(xiàng)，將曲面導(dǎo)入CAD軟件中。但要能順利導(dǎo)入，必須安裝好相關(guān)CAD軟件的插件。②參數(shù)修改：導(dǎo)入CAD軟件后，即可對(duì)曲面的參數(shù)進(jìn)行修改，在編輯中，可以先導(dǎo)出大面，再導(dǎo)出小面，在參數(shù)對(duì)話框中選擇“CUT”，系統(tǒng)將自動(dòng)裁剪新導(dǎo)入的曲面。保存文件后，即完成了支架零件的逆向建模如圖6。

圖6 支架結(jié)果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

手持式激光掃描儀突破了對(duì)使用空間和環(huán)境上的制約，不僅為逆向工程的更廣泛應(yīng)用前景，也為汽車(chē)工業(yè)帶來(lái)了新的生產(chǎn)方式和設(shè)計(jì)思路。隨著逆向工程中數(shù)字化掃描設(shè)備和CAD重建軟件的功能和效率的不斷提高，逆向工程技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

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