結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量在逆向建模中的應(yīng)用研究

曹高原，曹學(xué)明，王緒杰

（深圳市銀寶山新檢測(cè)技術(shù)公司，廣東深圳 518108）

1 引言

隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及數(shù)字地球、數(shù)字城市、虛擬現(xiàn)實(shí)等概念的出現(xiàn)，人們對(duì)空間三維信息的需求更加迫切。工業(yè)上也因5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的普及，傳統(tǒng)的二維測(cè)量數(shù)據(jù)已經(jīng)不能跟上工業(yè)發(fā)展的腳步。如何快速、準(zhǔn)確地將物體的三維信息數(shù)字化并輸入計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)的新領(lǐng)域。逆向掃描測(cè)量工程的出現(xiàn)和發(fā)展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，為信息數(shù)字化工業(yè)發(fā)展提供了必要的生產(chǎn)條件。逆向工程在制造業(yè)中最常見(jiàn)的兩種方式是觸測(cè)式三坐標(biāo)測(cè)量和結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量。兩種測(cè)量方法都可以獲取實(shí)體的數(shù)字化三維信息。本文通過(guò)對(duì)比兩種測(cè)量方式的原理、流程和結(jié)果，提出了結(jié)構(gòu)光三維掃描儀在產(chǎn)品逆向建模中能更好的將產(chǎn)品真實(shí)還原。

2 觸測(cè)式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量機(jī)的差異

2.1 測(cè)量原理的不同

（1）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)掃描測(cè)量原理。

觸測(cè)式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是基于坐標(biāo)測(cè)量的通用化測(cè)量設(shè)備。測(cè)量前將被測(cè)物體放入可測(cè)量行程內(nèi)，設(shè)定笛卡爾三維坐標(biāo)系，在被測(cè)產(chǎn)品的測(cè)量部位，采用觸發(fā)式逐點(diǎn)掃描測(cè)量，將掃描測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行位置擬合，再根據(jù)所掃描點(diǎn)集合的空間坐標(biāo)值，計(jì)算出其尺寸和形位誤差，最后運(yùn)用三維建模軟件將掃描的點(diǎn)集創(chuàng)建成各類幾何特征，進(jìn)而擬合構(gòu)造成可編輯的三維實(shí)體數(shù)學(xué)模型。

（2）結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量原理。

結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量是利用測(cè)量系統(tǒng)中的電子光學(xué)體結(jié)構(gòu)光，采用非接觸三角法則掃描測(cè)量原理，通過(guò)光源信號(hào)發(fā)射接收，將結(jié)構(gòu)光投射到產(chǎn)品的表面，在產(chǎn)品表面形成由被測(cè)物體表面形狀相擬合的三維圖像，該三維圖像通過(guò)兩組相機(jī)拍攝獲得物體空間維度的畸變圖像，根據(jù)結(jié)構(gòu)光的3D信息，利用三維重構(gòu)技術(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理得到物體表面的三維點(diǎn)云信息，再利用軟件將成像的點(diǎn)云劃分領(lǐng)域并擬合成三維幾何特征構(gòu)造實(shí)體。

2.2 產(chǎn)品掃描測(cè)量及逆向過(guò)程的差異

（1）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)掃描測(cè)量過(guò)程。

在三坐標(biāo)掃描測(cè)量中，基于其精度及特性考慮，測(cè)量機(jī)需要在高標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕測(cè)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，并且被測(cè)產(chǎn)品也需要在測(cè)量實(shí)驗(yàn)室中放置至少8h以上（被測(cè)物根據(jù)不同材質(zhì)放置時(shí)間可適當(dāng)增加或者減少），測(cè)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相對(duì)濕度：30%～70%（無(wú)冷凝），溫度：19℃～21℃，溫度時(shí)間梯度：0.5℃/h，溫度空間梯度：0.5℃/m，并確保電壓信號(hào)的穩(wěn)定以及測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的震動(dòng)幅度以及噪音情況，以確保測(cè)量結(jié)果的可靠性。

根據(jù)掃描測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的需求特性，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量前的固定夾持安裝，用以保證掃描測(cè)量數(shù)據(jù)精確度以及重復(fù)性。在對(duì)測(cè)量產(chǎn)品的固定夾持安裝前，要用無(wú)水酒精將測(cè)量機(jī)和測(cè)量產(chǎn)品分別擦拭以確保測(cè)量精度，在對(duì)測(cè)量產(chǎn)品的固定夾持安裝中，還需要考慮設(shè)備的有效行程、測(cè)針大小的合適性、測(cè)量特征的有效分布等。如圖1所示，將被測(cè)齒輪放置在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)上，可以采用固定式三爪夾持工具對(duì)齒輪作夾緊懸空處理，利于后續(xù)測(cè)量過(guò)程中的穩(wěn)定性。

測(cè)量產(chǎn)品前需要對(duì)探針進(jìn)行校驗(yàn)，根據(jù)圖1展示的產(chǎn)品對(duì)它的測(cè)量選用紅寶石直徑為φ2mm的球型觸發(fā)式探針，測(cè)桿長(zhǎng)度為60mm。在根據(jù)實(shí)際測(cè)量的位置，選擇探針的角度，由于在不同的掃描測(cè)量方向上運(yùn)動(dòng)矢量不同以及其他外界干擾的影響，實(shí)際的測(cè)針半徑也不完全相同，為了提高測(cè)量精度，每個(gè)測(cè)量方向在使用前必須進(jìn)行探針的精度校驗(yàn)。探針校驗(yàn)的目的是：計(jì)算出紅寶石探針球心與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)零點(diǎn)的位置及補(bǔ)償關(guān)系。

掃描測(cè)量產(chǎn)品前，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行坐標(biāo)系的建立。建立坐標(biāo)系分為兩步：手動(dòng)坐標(biāo)系和自動(dòng)坐標(biāo)系。手動(dòng)坐標(biāo)系的目的是確定零件的位置，作為程序自動(dòng)運(yùn)行基礎(chǔ)，通常會(huì)測(cè)量較少的測(cè)量點(diǎn)，又稱參考坐標(biāo)系；自動(dòng)坐標(biāo)系的目的是準(zhǔn)確測(cè)量相關(guān)基準(zhǔn)元素，作為后續(xù)尺寸評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)，通常會(huì)測(cè)量更多的點(diǎn)數(shù)，又稱精確坐標(biāo)系。在對(duì)齒輪測(cè)量前的坐標(biāo)系建立中，結(jié)合齒輪在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的夾持形態(tài)，一般以齒輪的向上平面作為坐標(biāo)系XY平面、垂直法向?yàn)閆軸，齒輪中心在XY平面的投影為X、Y原點(diǎn)。

在掃描測(cè)量過(guò)程中，首先打開(kāi)三坐標(biāo)測(cè)量軟件PC-DMIS，新建測(cè)量程序，加載所選擇的測(cè)針，根據(jù)實(shí)際需求校驗(yàn)測(cè)針，建立坐標(biāo)系。分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，首先測(cè)量齒輪中心圓的，用手動(dòng)取點(diǎn)的方式在中心圓的圓周上均勻取8個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)擊“END”鍵測(cè)量軟件PC-DMIS自動(dòng)識(shí)別此8個(gè)點(diǎn)并構(gòu)造成圓形。用手動(dòng)取點(diǎn)的方式在齒輪上平面的邊界處均勻取16個(gè)點(diǎn)，取點(diǎn)時(shí)要保證這16個(gè)點(diǎn)在Z軸上同一高度，保持Z軸水平有兩個(gè)方法第一在手動(dòng)打點(diǎn)時(shí)將Z軸的移動(dòng)方向鎖死，第二種方法是去點(diǎn)后將Z軸的坐標(biāo)改成同一數(shù)值，點(diǎn)擊“END”鍵測(cè)量軟件PC-DMIS自動(dòng)識(shí)別此16點(diǎn)并構(gòu)造一個(gè)平面。用手動(dòng)取點(diǎn)的方式在齒輪的最外圓上均勻分布的方式取16個(gè)點(diǎn)，取點(diǎn)時(shí)這16個(gè)點(diǎn)也要保證在Z軸方向上高度一致，點(diǎn)擊“END”鍵測(cè)量軟件PC-DMIS自動(dòng)識(shí)別此16個(gè)點(diǎn)并構(gòu)造成圓形。用手動(dòng)取點(diǎn)的方式在齒輪的齒底部均勻分布的方式取16個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)擊“END”鍵測(cè)量軟件PC-DMIS自動(dòng)識(shí)別此16個(gè)點(diǎn)并構(gòu)造成圓形。將水平指向右的齒定義為1號(hào)齒，用手動(dòng)測(cè)量的方式在1號(hào)齒的左齒面取8個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)擊“END”鍵測(cè)量軟件PC-DMIS自動(dòng)識(shí)別此8個(gè)點(diǎn)并構(gòu)造成平面，用手動(dòng)測(cè)量的方式在1號(hào)齒的右齒面取8個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)擊“END”鍵測(cè)量軟件PC-DMIS自動(dòng)識(shí)別此8個(gè)點(diǎn)并構(gòu)造成平面。用同樣的方法在30個(gè)齒上取點(diǎn)，并構(gòu)造成曲面。

觸測(cè)掃描結(jié)束后，使用測(cè)量軟件PC-DMIS中的掃描點(diǎn)元素導(dǎo)出成為“.psl”點(diǎn)云格式（見(jiàn)圖2），將導(dǎo)出的點(diǎn)云用逆向建模軟件Design X打開(kāi)（見(jiàn)圖3）。

圖2 轉(zhuǎn)換為psl格式

圖3 導(dǎo)入逆向建模軟件

根據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行三角面片擬合，再通過(guò)軟件的曲面放樣（見(jiàn)圖4），切除拉伸等繪制出三維實(shí)體齒輪模型（見(jiàn)圖5）。

圖4 曲面擬合

圖5 實(shí)體建模

（2）結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量過(guò)程。

采用結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量產(chǎn)品時(shí)，不需要考慮環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響，由于考慮到光束對(duì)測(cè)量的影響，通過(guò)向被測(cè)物體投射藍(lán)光編碼光來(lái)消除物體表面不同反射率對(duì)測(cè)量精度的影響。相比三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，藍(lán)光掃描儀體積更小移動(dòng)更靈活。用結(jié)構(gòu)光掃描時(shí)產(chǎn)品不需要在掃描過(guò)程中建立坐標(biāo)系統(tǒng)，僅需要對(duì)被測(cè)物體表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)，以便后續(xù)曲面拼合和重構(gòu)工作。

由于部分產(chǎn)品表面反射光的能力較弱，需要噴涂顯像劑來(lái)增強(qiáng)表面的反射力配合點(diǎn)云GOM軟件進(jìn)行掃描系統(tǒng)的矯正。在噴涂顯像劑時(shí)要噴涂均勻，不能過(guò)多的噴涂改變被測(cè)物體的實(shí)際表面形狀與數(shù)值，在被測(cè)產(chǎn)品表面貼標(biāo)記點(diǎn)時(shí)要均勻進(jìn)可能的在結(jié)構(gòu)少法向指向一致的位置上貼標(biāo)記點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量時(shí)，將被測(cè)物體放入掃描轉(zhuǎn)臺(tái)上（見(jiàn)圖6），掃描轉(zhuǎn)臺(tái)一般為黑色，最大的降低投射到物體表面的光束被掃描臺(tái)吸收。如果在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，為了提高掃描精度需要適當(dāng)?shù)恼诒螐?qiáng)光，避免因強(qiáng)光對(duì)結(jié)構(gòu)光掃描過(guò)程產(chǎn)生影響。

圖6 齒輪結(jié)構(gòu)光掃描

打開(kāi)掃描軟件GOM，在軟件中新建掃描程序，根據(jù)圖6中被測(cè)物體的特征將掃描分為兩部分，一部分為產(chǎn)品的外表面，一部分為產(chǎn)品的下表面。打開(kāi)掃描軟件GOM，新建掃描文件，將投射出的光束對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)品，在軟件中反復(fù)點(diǎn)擊攝像頭對(duì)物體進(jìn)行結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量，直到該光束范圍內(nèi)物體成像清晰，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整攝像頭位置直到上表面輪廓大概掃描清晰為止，之后將被測(cè)物體翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)掃描另外一部分。因?yàn)閷⒋宋矬w翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)與之前測(cè)得的三維掃描體有兩個(gè)面是重合的固可以直接在一個(gè)項(xiàng)目中掃描，將上下表面兩部分掃描成為一個(gè)整體。

通?？蓪⒎珠_(kāi)的兩部分各自掃描成一個(gè)整體，掃描結(jié)束后再通過(guò)軟件將兩部分掃描體整合為一個(gè)整體，此被測(cè)物掃描出的三維形態(tài)的點(diǎn)云（見(jiàn)圖7）。

將結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量生成的三維形態(tài)點(diǎn)云導(dǎo)出格式為.STL，并導(dǎo)入到Design X軟件進(jìn)行實(shí)物的實(shí)體繪制。首先將掃描出的三維模型在坐標(biāo)系下進(jìn)行擺正，分析擬合實(shí)體的先后順序，一般順序?yàn)橄日w在細(xì)節(jié)，由外部到內(nèi)部，先拉伸后切除。在每構(gòu)造一個(gè)特征后，要與三維掃描體進(jìn)行對(duì)比偏差在允許的公差范圍內(nèi)在確定生成特征。直到每一個(gè)特征都創(chuàng)建出來(lái)，擬合實(shí)體，如圖8所示。

圖7 三維形態(tài)的點(diǎn)云

圖8 擬合構(gòu)建的實(shí)體

逆向構(gòu)建出的實(shí)體模型，還可與結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量出的點(diǎn)云進(jìn)行擬合精度的色域比對(duì)，實(shí)時(shí)分析出產(chǎn)品表面的結(jié)構(gòu)是否完備和精度是否符合要求，如圖9所示。

圖9 實(shí)體與點(diǎn)云色域精度比對(duì)

3 結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量在逆向建模的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)掃描測(cè)量與結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量在實(shí)際掃描測(cè)量逆向過(guò)程中的對(duì)比，結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量在掃描測(cè)量以及逆向建模中優(yōu)勢(shì)明顯，其主要體現(xiàn)如下：

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在掃描測(cè)量過(guò)程中，使用的是觸測(cè)式掃描的方式；而結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量?jī)x則是采用非接觸式光學(xué)掃描。非接觸式光學(xué)掃描過(guò)程中，避免了觸測(cè)式掃描所帶來(lái)的產(chǎn)品形態(tài)接觸式的形態(tài)變化，更好地克服了產(chǎn)品的外形變化所帶來(lái)的準(zhǔn)確性。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在觸測(cè)式掃描過(guò)程中，為單點(diǎn)式觸測(cè)，對(duì)于產(chǎn)品的整體曲面而言，單點(diǎn)式觸測(cè)方式，較易漏測(cè)產(chǎn)品曲面部分的關(guān)鍵曲率部位，且產(chǎn)品邊緣部分及倒角部分是觸測(cè)式掃描測(cè)量無(wú)法進(jìn)行的。結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量?jī)x，通過(guò)光學(xué)掃描，有效地對(duì)產(chǎn)品曲面曲率的點(diǎn)云掃描測(cè)量，克服了因接觸式無(wú)法測(cè)量的部位的準(zhǔn)確掃描。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在觸測(cè)式掃描測(cè)量過(guò)程中，所掃描出來(lái)的特征點(diǎn)云為間隔較大形態(tài)，具體間隔局限于探針的直徑和掃描間距設(shè)定，點(diǎn)云中間距過(guò)大，產(chǎn)品形態(tài)的準(zhǔn)確度較低。結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量?jī)x所掃描測(cè)量出來(lái)的點(diǎn)云密度極大，掃描測(cè)量過(guò)程中，極大地保證了產(chǎn)品表面形態(tài)的高度擬合，有效還原產(chǎn)品的真實(shí)形態(tài)。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所觸測(cè)式掃描生成的點(diǎn)云，在逆向建模過(guò)程中，由于點(diǎn)云密度不高，所擬合生成的曲面形態(tài)，與真實(shí)產(chǎn)品曲面曲率存在較大差異，逆向設(shè)計(jì)出的實(shí)體模型，與真實(shí)產(chǎn)品也存在較大差異。結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量?jī)x所掃描出來(lái)的點(diǎn)云，其優(yōu)異點(diǎn)主要體現(xiàn)在密度大，在逆向建模過(guò)程中，通過(guò)密度大的點(diǎn)云所擬合建立出來(lái)的曲面曲率，與真實(shí)產(chǎn)品相差較小，滿足產(chǎn)品的掃描測(cè)量及逆向建模需求。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)掃描測(cè)量生成的點(diǎn)云間隔較大，根據(jù)其建立的實(shí)體模型，與點(diǎn)云的色域?qū)Ρ龋嬖谳^大誤差。結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量信的點(diǎn)云間隔小，所建立的產(chǎn)品實(shí)體模型，與點(diǎn)云的比對(duì)過(guò)程中，色域差體現(xiàn)精確，可根據(jù)色差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)體模型。

綜上所述，結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量在克服產(chǎn)品形態(tài)變化、掃描范圍覆蓋、掃描點(diǎn)云密度、點(diǎn)云擬合精度等方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比觸測(cè)式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與結(jié)構(gòu)光三維掃描測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方法的測(cè)量原理、測(cè)量過(guò)程、實(shí)體擬合結(jié)果，分析兩種測(cè)量方式的優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)構(gòu)光三維掃描儀在掃描測(cè)量及逆向建模過(guò)程中，可有效地克服產(chǎn)品的接觸式變形，保證曲面曲率精確擬合和逆向建模的產(chǎn)品真實(shí)還原度。在現(xiàn)代工業(yè)制造及測(cè)量進(jìn)程中，對(duì)產(chǎn)品的實(shí)體形態(tài)進(jìn)行可靠有效地掃描及逆向設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品前期的設(shè)計(jì)、中期的修正、后期的量產(chǎn)起到切實(shí)有效的作用，同時(shí)，也保證了產(chǎn)品的快速掃描測(cè)量及逆向建模的時(shí)效性。