基于模型的3D掃描實踐

摘 要：本文闡述了數(shù)據(jù)測量的方法，和3D掃描儀的測量模式，介紹了模型數(shù)據(jù)采集，得到點云數(shù)據(jù)。運用Geomagic Qualify軟件對數(shù)據(jù)去噪、修補、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化并對點云數(shù)據(jù)封裝，獲得最佳三角形擬合的模型。

關(guān)鍵詞：3D掃描；顯像劑；Geomagic Qualify

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.259

1 數(shù)據(jù)測量方法概述

數(shù)據(jù)測量是整個逆向工程技術(shù)的基礎(chǔ)，測量工作是工作流程中的第一階段，后面的工作都要在此基礎(chǔ)上來完成。如果測量的數(shù)據(jù)存在誤差，模型重構(gòu)所生成的模型就不可能相對準(zhǔn)確，并且最終導(dǎo)致生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不能夠如實的反應(yīng)原來的實物模型。測量方法主要有兩種：接觸式測量法和非接觸式測量法[1，2]。

1.1 接觸式測量方法

接觸式測量是指利用接觸式測量設(shè)備對實物外表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。工作時，通過傳感器測量探頭與被測量物體直接接觸，從而產(chǎn)生一個記錄信號，然后通過一定的存儲設(shè)備記錄下來。接觸式測量方法根據(jù)測量原理的不同分為點位觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)式數(shù)據(jù)采集兩種。

1.2 非接觸式測量方法

隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，接觸式測量方法已經(jīng)不能滿足測量市場的需要，因而產(chǎn)生了非接觸式測量方法。非接觸式測量就是根據(jù)光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域的基本原理，利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象，如光、聲、磁等模擬量信號轉(zhuǎn)化為樣件模型表面的坐標(biāo)信息，從而完成對樣件表面的數(shù)據(jù)采集。主要有以下幾種：投影光柵法、超聲波法、工業(yè)CT掃描法、逐層切削照相測量、深度圖像三維測量法、核磁共振法（MRI）、自動斷層掃描法等[3]。

1.3 測量模式

測量模式分為單面掃描、標(biāo)志點拼接、建立框架。

（1）單面掃描。針對比較簡單的物體進(jìn)行單面的掃描，就可以得到所需的數(shù)據(jù)。

（2）標(biāo)志點拼接。對較大的物體，需要多次掃描獲得數(shù)據(jù)，但是要通過貼標(biāo)志點進(jìn)行拼接。

（3）建立框架拼接。有些大物體被測量時，要求精度高，為防止測量的累計誤差較大，需要建力框架控制誤差。

2 模型的掃描實踐

為了使掃描實物的效果好，須用液體顯像劑對實物進(jìn)行噴涂，噴涂后須等待實物表面的顯像劑晾干，方可移動進(jìn)行后續(xù)操作。然后將標(biāo)志點貼于實物上，一般在實物上貼5個標(biāo)志點，盡量錯開保證后續(xù)在不同角度掃描時，掃描儀能捕捉到最少三個貼標(biāo)點，確保每次掃描的對象能夠順利拼接。

3 掃描數(shù)據(jù)處理

利用了非接觸式測量法，提高了工作效率和掃描精度，但掃描儀對塑件掃描過程中，同一部位可能會被多次掃描，產(chǎn)生的點云會不斷疊加，掃描的結(jié)果包含了大量的冗余數(shù)據(jù)，對塑件后期的外形產(chǎn)生影響，如點云擬合的曲線、曲面的精度會降低。因此需要對掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理。測量數(shù)據(jù)是通過光學(xué)3D掃描儀獲得的點云。該點云是散亂的點云，處理的方法主要包括：對多次測量得到的點云去除噪聲點、減少冗余數(shù)據(jù)、修補缺損數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝等等。

3.1 去除噪聲點

去除噪聲點的方法比較多，有人機(jī)交互法，最小二乘法，弦高差方法、平滑濾波法，常用的方法是人機(jī)交互法。通常將點云可以導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件，進(jìn)行降噪處理。

3.2 數(shù)據(jù)修補

（1）數(shù)據(jù)修補的概念。對數(shù)據(jù)進(jìn)行了降噪處理之后，有的部位形狀復(fù)雜或測量方法不夠準(zhǔn)確等問題，在用專業(yè)軟件打開后發(fā)現(xiàn)點云數(shù)據(jù)有缺失。多數(shù)情況實物需要掃描反面，就需要在實物的側(cè)面增加標(biāo)志點進(jìn)行過渡，而每次增加一個過渡拼接點，其實物的點云就形成一個孔洞，也就是點云數(shù)據(jù)丟失。

（2）數(shù)據(jù)修補的常用方法。數(shù)據(jù)修補在工程實踐中是一個綜合的操作過程，對人的要求較高。常用的方法有直接填充法、造型設(shè)計法等。

4 數(shù)據(jù)優(yōu)化及封裝

（1）點云數(shù)據(jù)的優(yōu)化。隨著每次掃描的點云數(shù)據(jù)不斷增加，數(shù)據(jù)量比較龐大。這對工作站的硬件配置要求較高，同時影響數(shù)據(jù)的處理速度，所以在不影響實物掃描的精度前提下對獲得的點云進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化。

（2）點云數(shù)據(jù)的封裝。點云數(shù)據(jù)優(yōu)化后，對點云進(jìn)行封裝。通過Geomagic Qualify軟件對點云數(shù)據(jù)的計算，以若干個三角形擬合模型。在這過程中，前期的降噪處理和數(shù)據(jù)的優(yōu)化顯得尤其重要，需要重復(fù)進(jìn)行以獲得最佳三角形擬合的模型質(zhì)量，對高精度要求的零件需要更多的細(xì)心和耐心。

5 模型重構(gòu)

模型的重構(gòu)一般是根據(jù)掃描數(shù)據(jù)上的特征點，以點建線，以線建面的過程。前面雖然進(jìn)行了點云數(shù)據(jù)的封裝，但由于3D掃描過程中有死角導(dǎo)致點云缺失，或者由于貼標(biāo)遮擋掃描物體形成的破孔等原因不能形成完整的數(shù)據(jù)，需要重新建模。在工程實踐中，由于物體掃描之前是隨機(jī)擺放的，通過掃描儀得到的3D數(shù)據(jù)形成的坐標(biāo)系與軟件空間的工作坐標(biāo)系不匹配，所以要對3D數(shù)據(jù)重新定位，便于建模?？偟脑O(shè)計思路是找特征點，接著連線再確定平面擺正3D數(shù)據(jù)，然后利用曲線擬合的方法進(jìn)行造型。建模的總體思想是先大后小，先主后次的操作方法，利用各種建模命令對平面體進(jìn)行造型。

6 總結(jié)

通過前面的3D掃描介紹，從獲得點云數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)優(yōu)化后生成可操作的小平面體，利用小平面體進(jìn)行了3D重構(gòu)，獲得了產(chǎn)品的近似原型。但對于精度要求較高的實物模型，在造型后的數(shù)字模型需要對掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，通過軟件分析兩者之間的重合度，如果重合度不高，需要重新建?；驋呙枞S數(shù)據(jù)。這個過程有可能出現(xiàn)反復(fù)，直到達(dá)到最優(yōu)的重合度或滿足塑件的功能要求，一般在工程實踐中對裝配件更加要注意。

隨著中國制造2025的提出，傳統(tǒng)工業(yè)體制運行模式將發(fā)生質(zhì)的變化，新產(chǎn)品開發(fā)的周期也將越來越短。本文提出的基于原始的3D掃描實踐也是制造業(yè)當(dāng)中常用的逆向工程技術(shù)，是產(chǎn)品前期開發(fā)中，對外觀、功能的驗證，從而降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳麗.逆向工程關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].西安工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]Marek Vanco，Guido Brunnett. Direct Segmentation of Algebraic Models for Reverse Engineering [J].Computing， 2004：207-220.

[3]宋巖，周艷華，劉雅翔等.逆向工程技術(shù)及工程應(yīng)用研究[J].科技資訊，2010（35）：43-44.