陳嬋娟CHEN Chan-juan

（郴州職業(yè)技術學院，郴州423000）

0 引言

三維實體的數(shù)字化是近年來發(fā)展起來的一種快速自動化成型技術，它是實物仿形技術的基礎。而要進行快速成型技術就要獲得三維形體信息數(shù)據(jù)，要么用CAD設計產(chǎn)品，要么用三維數(shù)字掃描儀復制產(chǎn)品（如圖1）。三維激光測量技術不但可以量取被測對象的長寬高，實現(xiàn)無接觸掃描，還能夠把掃描到的信息及時的轉換成計算機能夠處理的數(shù)據(jù)，具有四個優(yōu)點：一是獲取數(shù)據(jù)速度快，實時性強；二是數(shù)據(jù)量大，且精度高；三是主動性強，支持全天候工作；四是全數(shù)字化，信息傳輸、加工、表達容易。

圖1 反求工程工藝流程圖

通過三維激光掃描系統(tǒng)能夠快速獲取區(qū)域的三維空間信息，進行三維模型重建，是三維空間數(shù)據(jù)獲取的一種重要技術。本文以REVscanTM手持激光掃描儀為例，結合三維激光掃描儀的工作原理，分析和研究從三維數(shù)據(jù)獲取到三維建模的整個流程。

1 手持式激光掃描原理

手持式激光掃描儀的工作原理是激光三角測距法，簡單的說就是將一激光線結構光投射到三維物面上，利用CCD攝取物面上的二維變形線圖像，即獲取三維點云數(shù)據(jù)和三維輪廓圖像。手持式激光掃描系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一套VXscan數(shù)據(jù)處理軟件，主要包括一套手持式自定位掃描儀REVscan，如圖2所示。

該掃描儀的下端小圓孔為十字激光發(fā)射口，激光從該孔中發(fā)射；中間紅色按鈕是觸發(fā)器，按住此按鈕系統(tǒng)開始接受數(shù)據(jù)；上端兩個大圓孔是CCD鏡頭，接收反射回來的激光；每一個CCD鏡頭的周圍是四個LED發(fā)光點，用于屏蔽周圍環(huán)境光對掃描精度的影響；啟動VXscan軟件，并處于接受數(shù)據(jù)狀態(tài)。按住觸發(fā)器，激光發(fā)射孔發(fā)射十字激光，LED發(fā)射紅色屏蔽光。至少有3個定位點在系統(tǒng)的識別范圍之內，系統(tǒng)才開始接收數(shù)據(jù)。激光從發(fā)射孔發(fā)出，由CCD鏡頭接收，并在VXscan軟件中以直觀的曲面模型的形式表現(xiàn)出來。REVscan掃描儀的自定位功能可以自動記錄定位點在掃描儀系統(tǒng)的空間位置，可以通過移動、翻轉所測零件以完成對零件的測量。VXscan軟件系統(tǒng)通過保存為*.csf格式進行階段性的測量；輸出為*.stl格式可被大多數(shù)后期處理軟件所通用。

圖2 REVscan掃描儀

2 三維掃描系統(tǒng)的工作流程

手持式激光掃描儀掃描儀的掃描流程可簡單概括為：著色—貼標記點—掃描—輸出點云—點云處理—曲面修復—反向建模。將舉出兩個典型的例子來介紹REVscan掃描儀的一些掃描特性和應用技巧。

2.1 三維數(shù)據(jù)獲取

①貼定位點：這是在掃描之前所要做的一項至關重要的工作。反光點必須以最小20毫米的距離隨機地粘貼于工件表面。如果表面曲率變化較小，距離可以達到100毫米。這些反光點使得系統(tǒng)可以在空間中完成自定位。定位點粘貼時必須離開邊緣12毫米以上。②連接系統(tǒng)啟動VXSCAN應用程序：在菜單中點擊View—Surface，在擴展面板配置激光強度與相機快門速度，在菜單欄點擊Configure—Sensor兩種模式可供選擇：手動和自動。手動模式：觸發(fā)器對準被掃描面以調整激光強度和快門速度。自動模式：點擊自動調整按鈕/Auto Adjust，然后將觸發(fā)器對準被掃描面。③開始掃描：點后按下掃描頭上的觸發(fā)器開始掃描。一直按著觸發(fā)器，讓十字激光線慢慢掃遍整個工件表面。掃描結果的質量受掃描次數(shù)與速度的直接影響，掃描的越多精度越高。距離太近或太遠都不能繼續(xù)跟蹤掃描。這意味著相機不再能通過反光點來進行定位或者反光點分布不合理。如遇不能跟蹤掃描，請將掃描頭置于已被掃描過的區(qū)域再扣動觸發(fā)器或重新粘貼定位點。④編輯掃描數(shù)據(jù)：設定微面模式，刪除被掃描工件的局部。點擊菜單中View——Facets或樹狀圖中的Facets節(jié)點，通過點擊Edit Facets按鈕來選擇編輯模式。處理后的效果如圖3所示。

圖3 三維數(shù)據(jù)處理效果

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

①雜點的處理：雜點就是測量錯誤的點或明顯遠離被測對象表面的孤立的點。對這樣的點，一般用“斷開組件”連接的方式來進行處理，選擇點后按“刪除”鍵進行刪除。②噪聲去除：在很多情況下都會引起噪聲，比如掃描儀受到震動、隨機誤差等，一旦出現(xiàn)這些情況可以點擊“減少噪聲”功能進行去除，進而保證點云數(shù)據(jù)的平滑性。③冗余點：冗余點是因拼接或測量角度等問題產(chǎn)生重疊的多余的點。應該把這些點檢測出來，然后進行必要的處理。④點云數(shù)量優(yōu)化：由于點云數(shù)據(jù)數(shù)量很大，應該優(yōu)化點云數(shù)量。

2.3 三維曲面修復

①構建三角網(wǎng)模型：這里的點云數(shù)據(jù)是由不規(guī)則離散點構成的，需要構成被測對象的實際表。構建三角網(wǎng)模型能夠恢復被測對象的拓撲關系的真實表面。②多邊形的修補：如果點云的數(shù)據(jù)不完整，應該及時的手工進行數(shù)據(jù)補充，只有這樣才能保證形成完整的三角網(wǎng)去除特征。③去除多余部分：發(fā)現(xiàn)錯誤的特征或者是不需要的特征進行去除工作。如果無法去除需要返回上一步進行修補，然后再繼續(xù)。④多邊形數(shù)量的調整：如果形成的三角網(wǎng)模型點云密度很大，應該對其進行簡化，反之如果密度不夠，應該對其進行細化處理。⑤多邊形的平滑：使用平滑功能可以調整三角形的褶皺角度，還能夠在這個過程中對模型的局部或整體做平滑處理。⑥多邊形檢測與校正：總體上要對整個三角網(wǎng)模型進行一次檢測，以確定是否還有相交的三角形的地方。⑦提取輪廓線：可以自動提取輪廓線或者手工提取輪廓線。⑧編輯輪廓線：可以使用編輯輪廓線功能對錯誤或者不滿意的輪廓線進行修理，盡可能保持被測對象的自然特征。⑨繪制輪廓線：切換到繪制狀態(tài)，將編輯好額輪廓線連在一起，調節(jié)好節(jié)點位置，使輪廓線更加準確，如圖4。⑩構造曲面片：輪廓線是基準線，曲面片的包圍線是基于輪廓線擴展的。曲面片的構造是為了進一步構造網(wǎng)格。11○修理曲面片：構造曲面片之后一些因素可能會影響到曲面片，使其發(fā)生錯誤，這時應該使用修理曲面片功能對其進行處理，直到不再發(fā)現(xiàn)錯誤的曲面片，就可以構造網(wǎng)格。12○構造網(wǎng)格：基于曲面片生成網(wǎng)格，帶綠顏色的網(wǎng)格表示能比較好地擬合曲面，帶紅色的網(wǎng)格是有錯誤的網(wǎng)格，針對這種情況需要重新修理曲面片，調整一下然后再構造網(wǎng)格。13○擬合曲面：網(wǎng)格構造好之后就可以基于每一個曲面片進行曲面擬合工作，生成NURBS曲面。14○偏差分析：先選中查看偏差區(qū)域，點擊“擬合連接”圖標，系統(tǒng)將自動計算面與點間的偏差。15○修復、修建縫合曲面：選中有問題的曲面，采用修復曲面圖標進行修復，而后采用“修建縫合”圖標對曲面進行縫合。各步處理的支架效果如圖5所示。

圖4 輪廓線的處理效果

圖5 分步曲面創(chuàng)建效果

2.4 參數(shù)導入建模

①參數(shù)交換：選擇曲面對象，采用“曲面工具欄”上的“參數(shù)交換”圖標，點擊“在CAD中創(chuàng)建特征成功”項，將曲面導入CAD軟件中。但要能順利導入，必須安裝好相關CAD軟件的插件。②參數(shù)修改：導入CAD軟件后，即可對曲面的參數(shù)進行修改，在編輯中，可以先導出大面，再導出小面，在參數(shù)對話框中選擇“CUT”，系統(tǒng)將自動裁剪新導入的曲面。保存文件后，即完成了支架零件的逆向建模如圖6。

圖6 支架結果圖

3 結束語

手持式激光掃描儀突破了對使用空間和環(huán)境上的制約，不僅為逆向工程的更廣泛應用前景，也為汽車工業(yè)帶來了新的生產(chǎn)方式和設計思路。隨著逆向工程中數(shù)字化掃描設備和CAD重建軟件的功能和效率的不斷提高，逆向工程技術將得到更加廣泛的應用。

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