手持式三維激光掃描儀數(shù)據(jù)拼接技術(shù)與實踐

倪春杰，胡彥萍

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

逆向工程也稱作反求工程，是一種產(chǎn)品外形設(shè)計的再現(xiàn)過程[1]，廣泛應(yīng)用于汽車、模具、雕刻等行業(yè)。逆向工程技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)拼接、后期處理等。實物或模型的數(shù)字化采集是逆向工程的首要而關(guān)鍵的一步，如何快速而又準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)至關(guān)重要。數(shù)據(jù)采集的方法很多，手持式三維激光掃描儀因其采集速度快、精度高、便于攜帶，對環(huán)境要求不高, 掃描儀和掃描物體的相對位置都可以變換等特點，大大提高了掃描范圍和不同場合的掃描可行性，目前在各個行業(yè)廣泛應(yīng)用，尤其在逆向工程、工業(yè)設(shè)計、三維檢測、藝術(shù)創(chuàng)作等領(lǐng)域[2-5]。由于掃描儀相機的視場有限和存在遮擋現(xiàn)象，難以一次實現(xiàn)物體的完整掃描，需通過變換角度擺放物體，多次掃描獲得多個掃描文件，再利用匹配技術(shù)實現(xiàn)多視拼接，補充數(shù)據(jù)的缺漏，從而得到較完整的三維掃描數(shù)據(jù)。吳江[6]、熊漢偉等人[7]通過Geomagic Studio軟件中的點云對齊功能“最佳擬合對齊”實現(xiàn)了點云數(shù)據(jù)的拼合。常影等人[8]、李衛(wèi)民等人[9]、梁云波等人[10]提出了基于標(biāo)志點的點云數(shù)據(jù)的拼合。筆者研究分析了形創(chuàng)Handyscan300手持式三維激光掃描儀(如圖1所示)，及隨附的專業(yè)數(shù)據(jù)采集優(yōu)化軟件VXelements的數(shù)據(jù)拼接技術(shù)，總結(jié)了三角網(wǎng)格面數(shù)據(jù)的拼接方法，并用3D打印手段驗證了數(shù)據(jù)拼接的可行性，分析了特征拼接和標(biāo)志點拼接的特點，為優(yōu)質(zhì)高效的獲得三維掃描數(shù)據(jù)提供一定參考，對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)具有實際意義。

1 Handyscan 3D掃描系統(tǒng)

Handyscan 3D掃描主要是利用掃描儀的激光發(fā)射器發(fā)射激光，把光打在物體表面，通過接收物體表面反射的光線獲取該物體的三維坐標(biāo)信息，并在計算機里實時虛擬化掃描形面。掃描儀獲得的數(shù)據(jù)可實現(xiàn)自動三角網(wǎng)格輸出，經(jīng)Geomagic等軟件進行簡單的后期處理就能直接使用，掃描精度可達0.04 mm。

2 VXelements軟件的掃描數(shù)據(jù)拼接方法

Handyscan300手持式三維激光掃描儀有三種掃描方式，即掃描表面、掃描定位標(biāo)點和掃描點云，下面對掃描表面和掃描定位標(biāo)點的數(shù)據(jù)拼接方法進行分析和實踐。

2.1 特征拼接

以恐龍玩具(如圖2所示)為例，當(dāng)物體較小，并有較多明顯特征時，可采用掃描表面及無標(biāo)志點的特征拼接方法。

圖1 Handyscan300手圖2 恐龍玩具 持式激光掃描儀

2.1.1掃描表面

掃描前需將物體放置在周圍貼有輔助定位標(biāo)點的環(huán)境中。掃描表面流程為(如圖3所示)：選擇VXelements 軟件“掃描”方式中的“掃描表面”→在保持定位標(biāo)點和物體的位置關(guān)系不變的情況下開始掃描→實施掃描→結(jié)束掃描→編輯掃描，刪除掃描目標(biāo)以外的噪點、提高分辨率等→退出編輯掃描，保存任務(wù)為csf文件。變換角度重新擺放物體，重置項目，掃描，編輯掃描，獲得第2個、第3個等多個文件。

掃描過程中，觀察VXelements上的條狀計量器，判定掃描儀與被掃描件之間的距離是否合適，在綠色時的距離范圍內(nèi)掃描。如果掃描區(qū)域內(nèi)的定位標(biāo)點點數(shù)不足4個點，虛擬模型會出現(xiàn)靜止不動的情況，需要重新調(diào)整掃描儀位置，直至計算機屏幕上的可視化虛擬模型恢復(fù)動態(tài)顯示時繼續(xù)掃描。

圖3 掃描表面流程

2.1.2合并掃描

特征拼接如圖4所示。

圖4 特征拼接流程

打開某個已保存的掃描任務(wù)文件→點擊“合并掃描”→選擇“最佳擬合表面”(第2個圖標(biāo))→點擊項目選擇中的“添加”，在存儲文件夾中選擇預(yù)合并的掃描文件，文件被調(diào)入，軟件自動分兩屏顯示→在固定數(shù)模上選擇至少3個點，在移動的數(shù)模上點選相同位置上的點→選擇“最佳擬合”→合并，保存。經(jīng)過多個任務(wù)的掃描(缺哪里掃哪里)、合并，最終獲得較為完整的掃描數(shù)據(jù)，保存為csf文件及stl文件。

2.2 標(biāo)志點拼接

掃描前先在物體表面貼上標(biāo)志點，標(biāo)志點的粘貼應(yīng)注意以下幾點：

(1) 為得到較完整的物體掃描數(shù)據(jù)，需要對物體四周及上下兩面都進行掃描，應(yīng)保證4個以上的公共標(biāo)志點，間距2～10 cm，避免近似直線。

(2) 標(biāo)志點主要貼在大平面或者大曲面上，不遮蓋復(fù)雜特征，不貼在拐角處，離開邊緣12 mm以上。

(3) 當(dāng)曲面較小無法粘貼足夠的標(biāo)志點時，可在環(huán)境周圍貼輔助標(biāo)志點，保證掃描過程中最少有4個公共標(biāo)志點。

2.2.1掃描表面的標(biāo)志點拼接

當(dāng)被掃描物體有較大的表面或者特征不明顯時，可采用掃描表面及標(biāo)志點拼接方法，以鼠標(biāo)為例，標(biāo)志點已貼好(如圖5所示)。

(1) 掃描表面：將鼠標(biāo)底面朝下正常擺放，掃描鼠標(biāo)表面，刪除鼠標(biāo)之外的噪點，刪除鼠標(biāo)之外的輔助標(biāo)志點(如圖6所示)，獲得掃描文件1。重置項目，將鼠標(biāo)側(cè)放，第二次掃描，獲得掃描文件2。注意：當(dāng)零件與標(biāo)志點的相對位置有變化時，需刪除物體表面之外的所有輔助定位標(biāo)點。本例進行了4次改變擺放角度的掃描。

圖5 鼠標(biāo)實物圖6 刪除標(biāo)志點

(2) 掃描表面標(biāo)志點拼接(如圖7所示)：打開掃描文件2→點擊“合并掃描”→選擇“目標(biāo)最佳擬合”(第1個圖標(biāo))→點擊項目選擇中的“添加”，在存儲文件夾中選擇掃描文件1→“最少匹配點”處設(shè)置4個點→對齊→接受→合并，保存文件。經(jīng)過4個文件的掃描、合并，最終獲得較為完整的掃描數(shù)據(jù)，保存為csf文件及stl文件。

2.2.2整體框架標(biāo)志點拼接

(1) 掃描整體標(biāo)志點：選擇“掃描”方式中的“掃描定位標(biāo)點”，此時，屏幕上只看到了掃描的標(biāo)志點，與鼠標(biāo)實物上貼的標(biāo)志點對照，刪除鼠標(biāo)表面之外的輔助標(biāo)志點。換個角度擺放鼠標(biāo)繼續(xù)掃描，補充其他表面的標(biāo)志點后得到鼠標(biāo)表面所有標(biāo)志點，刪除鼠標(biāo)表面之外的標(biāo)志點。導(dǎo)出數(shù)據(jù)到文件→掃描定位目標(biāo)→保存為txt文件，操作流程如圖8所示。此文件記錄的是物體整體框架標(biāo)志點的空間位置關(guān)系。

圖7 掃描表面標(biāo)志點拼接流程

圖8 整體框架標(biāo)志點導(dǎo)出流程

(2) 掃描表面：重置項目，多角度多次掃描鼠標(biāo)表面，方法同2.2.1。

(3) 整體標(biāo)志點拼接：重置項目，在當(dāng)前會話選擇要導(dǎo)入的數(shù)據(jù)→導(dǎo)入定位標(biāo)點→打開上一步保存的txt文件。合并掃描→選擇“目標(biāo)最佳擬合”→添加掃描文件1→對齊→接受→合并。再添加掃描文件2、3、4等進行合并，最終獲得較為完整的合并掃描數(shù)據(jù)文件，保存為csf文件及stl文件。

從掃描的合并模型中不難發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描儀在掃描恐龍嘴內(nèi)部形狀和掃描鼠標(biāo)底面的光電槽時，掃描數(shù)據(jù)缺失較多，出現(xiàn)了較大的孔洞，應(yīng)采取機械測量方法進行彌補[11]。

3 后期處理

Geomagic Wrap掃描數(shù)據(jù)處理軟件是原Geomagic Studio的簡化版本，對掃描模型的后期處理擁有強大的逆向建模功能，可以對掃描模型進行修復(fù)或補孔，最后獲得完整的掃描模型數(shù)據(jù)文件。本文采用Wrap軟件的網(wǎng)格醫(yī)生對掃描模型進行了自相交、高度折射邊、釘狀物、小組件、小孔的自動修復(fù)，還進行了較大孔洞的填充等簡單后處理，調(diào)入文件時直接打開前期保存的stl文件。

4 3D打印驗證

處理后的掃描文件既可以輸出到3D打印機，也可以輸出到數(shù)控加工系統(tǒng)[12]、3D檢測[13]等下游終端。本文使用的是Einstart-S型3D打印機，原比例打印了恐龍模型(如圖9所示)，縮小到80%打印了鼠標(biāo)模型(如圖10所示)。結(jié)果，打印樣件與原模型具有較高的相似度，表明上述的數(shù)據(jù)拼接方法是可行的、有效的，也是十分實用的。

圖9 恐龍玩具打印結(jié)果 圖10 鼠標(biāo)打印結(jié)果

5 結(jié) 語

通過2個實物的三維掃描，本文得出結(jié)論：手持式三維激光掃描儀精度高，速度快，使用方便，三種數(shù)據(jù)拼接方法各有特點：

(1) 特征拼接，基于物體自身的特征完成拼接，無需在物體表面貼標(biāo)志點，可避免特征被標(biāo)志點遮蓋，特征相對完整。但是，由于特征拼接點無法準(zhǔn)確地實現(xiàn)“點選相同的位置”，點與點之間的誤差會使某些特征出現(xiàn)間隙或分層，影響掃描精度，常用于小型、特征較多、精度要求不高的物體的數(shù)據(jù)拼接。

(2) 掃描面標(biāo)志點拼接，基于掃描面標(biāo)志點的空間位置不變性，是掃描文件間的兩兩拼接，兩拼接表面要有4個以上的公共標(biāo)志點，拼接精度較高，被標(biāo)志點遮蓋部分的三維形貌系統(tǒng)會自動光滑填充。但是，此方法累積誤差較大,影響物體的掃描精度，常用于較大型物體的掃描拼接。

(3) 整體標(biāo)志點拼接，基于整個模型上標(biāo)志點的空間位置不變性，是掃描文件與整體定位目標(biāo)txt文件之間的拼接，用于拼接的表面有不少于4個的標(biāo)志點，累積誤差小，掃描時間短，且拼接文件小，非常適合于較大型物體的實際掃描拼接。