基于Creaform3D掃描系統(tǒng)的三維建模研究*

葛蘭鳳，孫逸淵，張 卡，2，3,沈 婕，2，3,韋玉春，2，3

(1．南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2．南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 210023;3.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023;4.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871)

就目前科學(xué)研究及社會生產(chǎn)領(lǐng)域而言，主要的三維模型的構(gòu)建方法有四種：基于二維GIS數(shù)據(jù)自動建立三維模型的方法[1-2]；基于遙感影像的三維模型構(gòu)建方法[3]；基于激光掃描系統(tǒng)的三維模型構(gòu)建方法[4]；CAD建模方法[5]。激光掃描系統(tǒng)作為三維數(shù)字模型構(gòu)建的重要方式之一，以其高效低成本、三維掃描獲取精確數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，也成為逆向工程實現(xiàn)的前提之一。此外，三維激光掃描技術(shù)對小型、大型物件的數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建，也使其成為對實體模型進(jìn)行分析、改良的重要實施環(huán)節(jié)[6]。

作為三維掃描技術(shù)的一種實現(xiàn)方式，便攜式三維掃描技術(shù)運(yùn)用廣泛，主要用于三維模型構(gòu)建、實物拍攝、逆向工程、有限元分析和數(shù)字捕捉等方面[7]。本文主要對Creaform3D掃描系統(tǒng)Handyscan3D掃描儀(手持式三維激光掃描儀)的產(chǎn)品特點(diǎn)、操作流程進(jìn)行全面的分析。結(jié)合具體實物的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，論述Creaform3D掃描系統(tǒng)的模型構(gòu)建過程，并進(jìn)行分析討論。

1 Creaform3D掃描設(shè)備介紹

Creaform手持式3D產(chǎn)品系列豐富，應(yīng)用廣泛。其中，REVscan是面向逆向工程和設(shè)計的最有效掃描儀；MAXscan適用于大型部件，具有Handyscan3D的高精度和增強(qiáng)的攝影測量功能；EXAscan能提供更高的精確度和分辨率，用途最廣且適用于檢測與逆向工程；VIUscan提供了高分辨率3D彩色數(shù)據(jù)和塑形[8-9](如圖1)。這一系列的Creaform3D產(chǎn)品體現(xiàn)了其三維掃描技術(shù)的強(qiáng)大。

圖1 Creaform3D產(chǎn)品系列

1.1 設(shè)備特點(diǎn)與硬件組成

Creaform3D掃描儀是目前市場上最好的便攜式三維激光掃描系統(tǒng)之一,其具有掃描完整性強(qiáng)、精確度高、速度快、操作方便等特點(diǎn)。在目前眾多三維掃描技術(shù)中，其性能、效率是獨(dú)樹一幟的。另外,Creaform3D掃描儀的高性能特點(diǎn)可以大大降低環(huán)境、操作者經(jīng)驗水平、部件結(jié)構(gòu)等不定因素對測量結(jié)果精確度的影響[10]。

Creaform3D掃描系統(tǒng)由Handyscan3D和所有必要的硬件裝配成一個符合人機(jī)工程學(xué)的機(jī)箱。此機(jī)箱制定有泡沫護(hù)套，目的是使每個部件都有其自己的空間，校準(zhǔn)板位于泡沫下面。其硬件組成主要有：FireWire 適配器、FireWire 電纜、Handyscan3D、電源、底座、目標(biāo)定位點(diǎn)。各硬件的作用如下：

FireWire 適配器：作為擴(kuò)展卡，用于連接FireWire 電纜和計算機(jī)。

FireWire 電纜：用于連接計算機(jī)與Handyscan3D掃描儀。

Handyscan3D：掃描物件的主要儀器。

電源：用于獲取電力來源。

底座：用于暫停掃描或停止掃描時安置Handyscan3D掃描儀，起到保護(hù)掃描儀的作用。

目標(biāo)定位點(diǎn)：粘貼在被掃描對象表面的目標(biāo)點(diǎn)，用于定位目標(biāo)。

1.2 設(shè)備工作原理

手持式三維激光掃描儀(Handyscan3D)由儀器掃描部件及電腦聯(lián)合運(yùn)行，并結(jié)合電腦中的VXelements采集軟件，由特定數(shù)據(jù)線連接，以主動式激光三角法進(jìn)行掃描操作。所謂主動式激光三角掃描法，即通過掃描儀下部的十字激光發(fā)射口發(fā)射線光源，并以固定角度照射到被掃描物體上，線光源由對象表面貼附的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行反射，然后通過兩個高性能CCD鏡頭與光源之間的相對位置及投影和反射光線之間的夾角(如圖2)，由儀器內(nèi)部程序自動換算出被測物體所在位置，完成高精度掃描，獲取對象多邊形模型(.stl)或點(diǎn)云數(shù)據(jù)(.txt或.igs)的方法。整個掃描過程要經(jīng)過儀器裝配、儀器校準(zhǔn)、采集參數(shù)設(shè)定、激光掃描、保存輸出數(shù)據(jù)的步驟(其具體工作流程如圖3所示)。這種主動測量式激光三角掃描法已經(jīng)相當(dāng)成熟，獲取數(shù)據(jù)速度快，準(zhǔn)確性高，信息采集完整性強(qiáng)。

圖2 Creaform3D掃描原理

圖3 Creaform3D掃描系統(tǒng)工作流程

在使用Handyscan3D掃描儀掃描過程中要注意一些問題。

(1)在掃描前要按一定規(guī)律粘貼目標(biāo)點(diǎn)。目標(biāo)點(diǎn)的粘貼方法有兩種，對于大中型物體來說，應(yīng)在對象表面粘貼目標(biāo)點(diǎn)，粘貼目標(biāo)點(diǎn)時要避免貼的太密集或者太稀疏，在對象表面的一個面與另一個面的相交處的附近粘貼目標(biāo)點(diǎn)，以保證兩個面存在公共連接關(guān)系。對于小型物件來說，可以采用在其周圍粘貼目標(biāo)點(diǎn)的方式，以避免物體太小，不易粘貼等問題。但是要注意，如果直接在對象上粘貼目標(biāo)點(diǎn)，則對象本身相當(dāng)于固定在一個坐標(biāo)系中，可以自由旋轉(zhuǎn)移動。如果是用第二種方法，則相當(dāng)于對象處于一個空間坐標(biāo)系之中，不可隨意移動，否則會出現(xiàn)無法預(yù)知的掃描錯誤。

(2)在進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，出現(xiàn)優(yōu)化過程無法提供有效的結(jié)果時，按VXelements采集軟件中的Default鍵或Sensor Manager將掃描儀恢復(fù)為出廠設(shè)置。

(3)在連接掃描儀后再啟動VXelements采集軟件，否則將禁用掃描功能。要激活掃描功能就要在VXelements采集軟件中選擇New Session。

(4)掃描過程中要注意對掃描儀的保護(hù)?？紤]到儀器的昂貴性、易損性，在暫停掃描的時間里要將Handyscan3D掃描儀放置在其自配的底座上，并置于一個安全的地方，避免碰擦。結(jié)束掃描后及時將掃描儀關(guān)機(jī)回收。

2 實驗與結(jié)果

2.1 實驗數(shù)據(jù)采集

在南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院的儀器室里選取了一個茶壺作為本次實驗的對象。在實驗過程中，首先在茶壺表面上按一定規(guī)律均勻的粘貼目標(biāo)點(diǎn)，應(yīng)保證一定的密度，避免因目標(biāo)點(diǎn)過少而影響掃描效果。貼附目標(biāo)點(diǎn)的方法及注意點(diǎn)已在上文中論述過，在此不再贅述。按照第一部分中描述的實驗步驟進(jìn)行準(zhǔn)確操作(如圖3所示的工作流程)。在操作過程中，通過VXelements采集軟件，不斷觀察掃描狀態(tài)，包括掃描的速度、精準(zhǔn)度，確定被掃描對象的每一個部分都被采集到，以達(dá)到完整掃描的目的。

在VXelements采集軟件中，可以觀察到Handyscan3D掃描儀掃描對象的原始三維點(diǎn)云模型(如下圖4所示)。而且，掃描過程中會出現(xiàn)或多或少的噪聲,這些掃描過程中產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)可通過后期軟件處理進(jìn)行濾除。

2.2 三維模型構(gòu)建與結(jié)果分析

2.2.1 三維模型構(gòu)建

為了對Handyscan3D掃描儀掃描生成的茶壺點(diǎn)云數(shù)據(jù)(.txt)及面片數(shù)據(jù)(.obj)成果進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，本文使用Geomagic Studio12逆向工程軟件對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和建模(流程圖如圖5所示) 。首先,將掃描儀掃描過程中的錯誤及噪聲點(diǎn)全部刪除，使掃描成果能夠更加清晰，去除噪聲后的茶壺點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其重建的三維表面模型如圖6所示。再利用Geomagic Studio12的投影圖像工具，通過選取模型與圖像對應(yīng)的3～4個特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，對去噪后的點(diǎn)云進(jìn)行三維表面模型重建和紋理映射(紋理映射后的三維模型如圖7所示)。

圖4 一個茶壺的Creaform 3D掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖5 三維模型構(gòu)建流程圖

圖6 去噪后的點(diǎn)云及重建的三維模型結(jié)果

圖7 去除噪聲點(diǎn)后模型的紋理映射結(jié)果

2.2.2 結(jié)果分析

利用Geomagic Studio12軟件，在基于Creaform3D掃描點(diǎn)云所構(gòu)建的茶壺三維模型上進(jìn)行茶壺幾何尺寸量測, 并結(jié)合茶壺實物的實際測量尺寸數(shù)據(jù)，按式(1)對Creaform3D掃描系統(tǒng)的掃描精度進(jìn)行定量分析,分析結(jié)果如表1所示。

(1)

式中,ε為相對誤差,a為在三維模型上量測的尺寸,b為在實際物體上量測的尺寸。

實驗結(jié)果表明：掃描成果的精度高、完整性強(qiáng)，并且目視感逼真、立體真實感強(qiáng)，與茶壺的實體模型相似度極高，相對誤差達(dá)到0.1%，且對操作者本人實際使用儀器的水平高低沒有特殊限定。當(dāng)然，操作者對儀器使用的熟練程度及經(jīng)驗對于三維掃描是有一定的影響因素，掃描技術(shù)越高，經(jīng)驗越豐富，掃描過程中的噪聲點(diǎn)越少，掃描效率越高。但只要在操作過程中符合規(guī)范、流程，抓住要點(diǎn)，就可以高精度的完成三維數(shù)據(jù)掃描。

完成整個茶壺對象的掃描工作需要10 min，可見Handyscan3D掃描儀的掃描效率很高。如果時間允許，應(yīng)盡可能延長掃描的時間，并學(xué)習(xí)使用掃描儀的經(jīng)驗之道，從而更加完善前期掃描的效果，避免后期處理時由于被掃描對象完整性缺失的原因，而導(dǎo)致三維模型失真嚴(yán)重的現(xiàn)象。

從后期用Geomagic Studio12軟件消除掃描過程中的基本錯誤后的結(jié)果可以看出，Creaform3D掃描技術(shù)還是存在一定的不足與缺陷。就本次實驗過程而言，掃描的完整性會有所欠缺，如茶壺口處的可視效果不佳，茶壺手柄內(nèi)側(cè)有數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，得通過后期逆向工程處理才可進(jìn)一步完善。此外，對于被掃描對象的透明、黑色或深色部分，Creaform3D掃描技術(shù)無法準(zhǔn)確掃描。對于一些有反光效應(yīng)的部分，諸如光學(xué)儀器的鏡面，也是無法準(zhǔn)確掃描出來。對于這些問題，可以通過后期一些專門的數(shù)據(jù)處理軟件來解決，也可以在使用Creaform3D掃描技術(shù)掃描對象之前，先將被掃描對象上的透明、黑色和深色部位及具有反光效應(yīng)的部位噴涂顯像劑。這樣，就可以在一定程度上保證掃描的完整性。

3 結(jié) 論

Creaform3D掃描技術(shù)是當(dāng)下使用激光掃描儀方法進(jìn)行三維建模的一種新興代表技術(shù)。在各行各業(yè)，特別是在機(jī)械、測繪等領(lǐng)域具有十分重要的作用。Creaform3D掃描技術(shù)操作簡單，建模流程清晰，適宜各行各業(yè)操作人員學(xué)習(xí)并應(yīng)用。Creaform3D掃描技術(shù)以其掃描精度高、完整性強(qiáng)、速度快、使用方便、約束性小等優(yōu)勢，對三維建模及模型后期處理，以及逆向工程的實現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的保障。