大型復(fù)雜零件的三維掃描測量精度研究

鄭鵬　韓雨萌

沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院（沈陽　110870）

大型復(fù)雜零件的三維掃描測量精度研究

鄭鵬韓雨萌

沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院（沈陽110870）

非接觸式三維掃描儀能夠快速地獲取物體的三維點云數(shù)據(jù)，利用建模軟件的數(shù)據(jù)合并、特征提取和曲面擬合等功能進行數(shù)據(jù)處理，重建物體的三維模型，具有精度高、速度快的優(yōu)點。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式三維掃描儀在機械、汽車、航空、醫(yī)療、藝術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。本文主要致力于研究非接觸式三維掃描系統(tǒng)的掃描精度，從而更好地滿足高精度、高效率以及適合各種曲面的數(shù)字化應(yīng)用需求。

復(fù)雜型面；三維掃描；掃描誤差；改善精度

三維掃描是集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)⒈粶y物體的立體信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，為實物數(shù)字化提供了方便快捷的方法［1］。高速三維掃描及數(shù)字化系統(tǒng)在反求工程中發(fā)揮著巨大作用。三維掃描系統(tǒng)已在汽車、摩托車、家電等行業(yè)得到成功應(yīng)用，而高速三維掃描儀已在我國多家模具廠點得到應(yīng)用，取得良好效果［2］。它可以直接將大型復(fù)雜的、不規(guī)則的物體三維點云數(shù)據(jù)采集到電腦中，快速重構(gòu)出所需的三維模型。三維掃描儀所采集的點云數(shù)據(jù)還可以進行多種后處理工作，例如分析、模擬、仿真、監(jiān)測、展示、虛擬現(xiàn)實等。

釆用非接觸式三維掃描儀對多種復(fù)雜型面進行掃描研究，在原有的掃描過程中，因儀器誤差、物體自身因素誤差、測量誤差和測量誤差等會造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確，從而使制造出的零件不準(zhǔn)確，不能用于裝配［3］，所以本文分析這些誤差并提高精度，使三維掃描技術(shù)向高精度、高可操作性、低成本的方向發(fā)展。

圖1　三維掃描系統(tǒng)

1　非接觸式三維掃描系統(tǒng)的組成與理論研究

1.1三維掃描系統(tǒng)組成

非接觸式三維掃描是曲面掃描技術(shù)中一個很重要的分支，它具有檢測速度快、無需接觸實物等特點，在機械物體掃描、逆向工程、虛擬現(xiàn)實等方面得到了廣泛應(yīng)用，本文實驗中所釆用的是非接觸式三維掃描儀，主要由工業(yè)相機1個、光源1個（投影儀）、標(biāo)定板1個、以及PC機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；（b）光源；（c）標(biāo)定板；（d）三腳架；（е）云臺，如圖2所示。

圖2　三維掃描儀的主要硬件

1.2三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的示意圖。三維激光掃描測量的原理是光學(xué)三角形法：利用具有規(guī)則幾何形狀的激光源投影到被測表面上，形成的漫反射圖像在安置于空間某一位置的圖像傳感器上成像，按照三角形原理，即可測出被測點的空間坐標(biāo)。

1.3三維掃描流程

掃描系統(tǒng)的工作過程主要是：投影儀對被測物體投射光源，工業(yè)相機經(jīng)過內(nèi)、外參數(shù)設(shè)置后將連續(xù)拍攝的圖片傳輸給電腦，電腦接收到點云數(shù)據(jù)后進行格式轉(zhuǎn)換并保存。三維掃描流程如圖4所示：

圖3　三維掃描測量示意圖

3　影響激光掃描測量精度的因素

影響激光掃描測量精度的因素很多，總體上分硬件和軟件兩個方面硬件方面。主要有機械動平臺、CCD攝像機、激光器等，從硬件方面提高精度，一般會增加成本。軟件方面主要有物像對應(yīng)關(guān)系標(biāo)定、激光掃描線中心提取、被測物面表面特征、光學(xué)成像參數(shù)、光平面位置等因素。

圖4　三維掃描流程

（1）被測物體表面特征對測量精度的影響

被測物體表面的粗糙度、顏色、材質(zhì)、傾斜角度影響激光掃描線的成像，是測量精度的重要因素。研究表明顏色淺的物體測量數(shù)據(jù)偏大，顏色深的物體測量數(shù)據(jù)偏小，顏色越深對測量結(jié)果的影響越大。

（2）激光掃描線中心提取對測量精度的影響

線激光發(fā)生器發(fā)出的激光有一定發(fā)散角，隨著物面的景深、傾斜角度不同，激光掃描線圖像的帶寬是變化的，明暗度也在變化；此外，激光發(fā)生器發(fā)出的光經(jīng)過透鏡，其能量分布不均勻，也會產(chǎn)生測量誤差。

（3）物像對應(yīng)關(guān)系標(biāo)定

物像對應(yīng)關(guān)系標(biāo)定時產(chǎn)生測量誤差主要有兩個方面：一是平臺運動時的震動；二是物面粗糙、光能不均勻影響圖像中心線采集；這兩方面的原因都會給激光掃描測量帶來誤差。

（4）點云數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)誤差

掃描得到點云數(shù)據(jù)后，點云數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)過程也會給最終的CAD模型帶來誤差。誤差的來源主要有以下幾個方面。

1）點云數(shù)據(jù)對齊帶來的誤差。由于掃描多個視圖的數(shù)據(jù)后需要進行對齊，軟件在對齊數(shù)據(jù)時可能產(chǎn)生偏差，產(chǎn)生偏差的原因可能是沒有足夠的對齊信息。這就要求掃描時要得到足夠的重合數(shù)據(jù)，提供給軟件進行對齊運算。但用于對齊的定標(biāo)點并非越多越好，只要能保證數(shù)據(jù)的重合部分有三個定標(biāo)點即可。

2）點數(shù)據(jù)精簡誤差。

為了后續(xù)處理方便，對龐大的數(shù)據(jù)進行精簡。這時，精簡掉的數(shù)據(jù)將會損失部分精度，如第二章中論述的游戲玩具模型三角片精簡帶來的誤差。精簡數(shù)據(jù)量要適中，認(rèn)為一般不超過原始數(shù)據(jù)量的50%.

3）擬合曲線及曲面帶來的誤差。

由點云數(shù)據(jù)擬合成各種曲線曲面時不可避免的會引進誤差，要實時檢測擬合元素的誤差，以期把重構(gòu)精度控制在一個滿意的范圍內(nèi)。

4　系統(tǒng)誤差成因及對策

（1）掃描過程的誤差

掃描過程不可避免的會帶來誤差，由于掃描設(shè)備制造誤差，原理性誤差，掃描操作者引起的不確定性因素等等都會帶來誤差。設(shè)備誤差主要是由于設(shè)備本身制造精度，零部件的老化破損等機械結(jié)構(gòu)引起的誤差。原理性誤差是由掃描設(shè)備測量方法決定的，比如光學(xué)非接觸式測量精度就無法達(dá)到接觸式三坐標(biāo)測量儀的精度，這是由設(shè)備本身的局限性引起的。人為誤差是指操作者由于經(jīng)驗，誤操作等因素引起的誤差，如設(shè)備校準(zhǔn)等操作不合適等。此外，掃描精度還受到環(huán)境的影響，這也是引起誤差的一個主要來源。在實際的測量當(dāng)中會遇到一些大型零件戶外的測量等環(huán)境比較惡劣的情況，環(huán)境的溫度，光線，振動等都會影響到測量的精度。針對這種情況，可以采取以下措施來盡量減少誤差。

1）測量金屬件等反光強的模型可以噴顯影劑，減少模型的反光。顯影劑一般是一種白色粉末狀的固體微粒，可以減少物體的反光。

2）測量時避免環(huán)境光線的變化，如采用白光測量，如3DSS-STD-II數(shù)字化三維掃描儀，則建議在較暗的環(huán)境中測量效果比較好。

3）盡量避免測量區(qū)域內(nèi)人員走動等。REV-scan激光三維掃描儀，釆用手持式掃描方法，對操作者的素質(zhì)要求較高，掃描時手部的抖動，移動不合理也可以導(dǎo)致測量誤差的加大。掃描時盡量避免手部上下抖動，移動速度較緩慢且要均勻。此外，噴灑的顯影劑也會帶來誤差。顯影劑是固體微粒，自然會引起誤差。顯影劑噴灑不均勻也會引起，應(yīng)該盡量避免。總之，掃描過程有諸多引起誤差的因素，要遵守操縱規(guī)范，調(diào)整合適的掃描參數(shù)，把誤差降到最低程度。

（2）圓心定位不準(zhǔn)確引起的誤差

真實實驗攝像機是廣泛應(yīng)用的CCD攝像機，是由SONY公司生產(chǎn)的，型號為SONY XC-ST70，其分辨率為768×572像素。拍攝標(biāo)定板圖像時，將標(biāo)定板完全置于攝像機視場，同時保證位于標(biāo)定板中心的標(biāo)定點與圖像中心大致重合，調(diào)整攝像機和標(biāo)定板之間的距離。分別在距離為600mm、650mm、675mm、700mm、725mm、750mm、800mm的情況下拍攝多幅標(biāo)定板圖像，然后分別利用曲線擬合法、加權(quán)曲線擬合法和高斯曲面擬合法計算標(biāo)志點圓心.

目前，常用的衡量亞像素定位算法的方法，主要有標(biāo)準(zhǔn)參考物檢測法和仿真圖像檢測法兩種。

本文攝取一組位于同一直線上的圓標(biāo)志點，然后分別求解得到這些點在圖像上的圓心數(shù)據(jù)，并認(rèn)為這些數(shù)據(jù)是相互獨立的。由于直線投影不變性，圖像上的圓心仍然位于同一直線上。即有：

其中，n為該直線上標(biāo)定的個數(shù)。理想情況下，擬合參差ε為零，實際上由于定位誤差的存在，ε不可能等于零，其值與定位誤差的大小一致，本文以此直線擬合的殘差值來比較各種圓心數(shù)據(jù)的定位算法的精度。為了使各組間殘差具有一致的衡量標(biāo)準(zhǔn)，對（1）式進行歸一化處理，即令：

經(jīng)過歸一化處理后，該對于任意一點的參差值等價于該點至擬合直線的距離。由于我們使用的攝像機拍攝的圖像存在畸變，畸變會使直線的投影發(fā)生彎曲，從而使得式（1）中的擬合參差值不為零。在一階徑向畸變模型下，畸變像點相對于理想像點的偏移是沿著徑向的，畸變像點位于理想像點和成像中心的連線上。因此，如果存在一條直線的投影過成像中心，則畸變對該直線的直線度沒有影響，即滿足擬合參差為零。只要使投影直線盡可能通過成像中心，同時擬合直線時盡可能選擇成像中心附近的點，則畸變因素對直線度的影響可以忽略不計。按上面的要求拍攝多幅標(biāo)定板圖像，然后分別利用曲線擬合法，加權(quán)曲線擬合法和高斯曲面擬合法求解標(biāo)定點圓心，然后擬合直線，每幅圖像只選擇一條直線，各算法的擬合參差比較如下：

表1　各種算法的精度比較

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，考慮目標(biāo)邊緣灰度過渡區(qū)域的加權(quán)曲線擬合定位算法比一般的僅考慮周線的曲線擬合定位算法的精度要高，這也說明了，目標(biāo)圓心的信息不僅僅蘊涵在目標(biāo)區(qū)域，同時也蘊涵在邊緣處的灰度過渡區(qū)域。而完全建立在圓目標(biāo)灰度分布模型上的高斯曲面擬合法的精度大體上比加權(quán)曲線擬合法的定位精度更高一些。

（3）點云數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)誤差

掃描得到點云數(shù)據(jù)后，點云數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)過程也會給最終的CAD模型帶來誤差。誤差的來源主要有以下幾個方面。

1）點云數(shù)據(jù)對齊帶來的誤差。由于掃描多個視圖的數(shù)據(jù)后需要進行對齊，軟件在對齊數(shù)據(jù)時可能產(chǎn)生偏差，產(chǎn)生偏差的原因可能是沒有足夠的對齊信息。這就要求掃描時要得到足夠的重合數(shù)據(jù)，提供給軟件進行對齊運算。但用于對齊的定標(biāo)點并非越多越好，只要能保證數(shù)據(jù)的重合部分有三個定標(biāo)點即可。

2）點數(shù)據(jù)精簡誤差。為了后續(xù)處理方便，對龐大的數(shù)據(jù)進行精簡。這時，精簡掉的數(shù)據(jù)將會損失部分精度，如第二章中論述的游戲玩具模型三角片精簡帶來的誤差。精簡數(shù)據(jù)量要適中，本文認(rèn)為一般不超過原始數(shù)據(jù)量的50%.

3）擬合曲線及曲面帶來的誤差。由點云數(shù)據(jù)擬合成各種曲線曲面時不可避免的會引進誤差，要實時檢測擬合元素的誤差，以期把重構(gòu)精度控制在一個滿意的范圍內(nèi)。

［1］周吉清，董翠芳，廖小兵.三維掃描技術(shù)及應(yīng)用［J］.出版與印刷.2007，（4）：45-47

［2］金濤，童水光.逆向工程技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社.2003.

［3］郭勤靜.逆向工程關(guān)鍵技術(shù)研究及誤差因素分析［D］，昆明理工大學(xué)，2008.（23）.

（責(zé)任編輯：文婷）.

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10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.03.0015