黃加福，游慶華，陳鑫釗，林春榕

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基于不同產(chǎn)品特征的3D掃描技術(shù)研究

黃加福1，游慶華2，陳鑫釗1，林春榕1

(1. 漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與自動化工程系，福建漳州363000；2. 廈門工學(xué)院電氣工程系，福建廈門 361000)

通過3D掃描設(shè)備獲取產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)并進行數(shù)字化設(shè)計，可以減少設(shè)計的周期。研究產(chǎn)品的掃描過程及原理，提出平底產(chǎn)品、全曲面產(chǎn)品、大尺寸產(chǎn)品、薄殼類產(chǎn)品的3D掃描方法，結(jié)合Geomagic Studio軟件對點云數(shù)據(jù)的處理；并分析影響3D掃描的精度的因素，從而為后續(xù)數(shù)字化設(shè)計提供高精度的點云。

3D掃描；逆向工程；點云數(shù)據(jù)；掃描精度

1 引 言

逆向工程技術(shù)是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)，逆向工程技術(shù)在模具、汽車、航空、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，在工業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，逆向工程主要包括：(1)新零件的設(shè)計，主要用于產(chǎn)品的改型或彷型設(shè)計；(2)已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計意圖；(3)損壞或磨損零件的還原；(4)數(shù)字化模型的檢測，例如檢驗產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進行模型的比較。

逆向工程具體的工作流程是針對一現(xiàn)有工件(樣品或模型)，利用三維數(shù)字化測量儀準(zhǔn)確、快速地將物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)點集的形式獲取得到，在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、構(gòu)建曲面、編輯、修改后，傳送至通常的CAD/ACM系統(tǒng)作進一步的設(shè)計，再由CAD/CAM系統(tǒng)生成刀具的NC加工軌跡傳送至CNC機床制作所需模具，或者生成STL文件傳送到3D打印機將樣品模型制作出來，也可由CAD生成機械加工用的圖紙，再由傳統(tǒng)機床加工出產(chǎn)品零件，逆向工程的基本過程如圖1所示。

圖1 逆向工程的流程

其中，三維數(shù)據(jù)掃描是逆向工程中的基礎(chǔ)，市場上也將這個過程稱為“抄數(shù)”。目前產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)的獲取設(shè)備主要有兩大類，接觸式儀器掃描和非接觸式儀器掃描。接觸式設(shè)備的測量精度高，適應(yīng)性強，但是其效率低，而且只能掃描質(zhì)地較硬的表面；非接觸式設(shè)備測量的效率高，精度較高。點云數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低直接影響到逆向工程的設(shè)計的速度，以及模型重構(gòu)的質(zhì)量。因此，提高數(shù)據(jù)采集的精度，是后續(xù)工作順利進行的前提[2]。

2 三維數(shù)據(jù)掃描的原理及過程

2.1 掃描原理

本次掃描用的三維掃描儀為“Win3DD-M”，采用白光拍攝原理，單目掃描儀。單幅掃描范圍為300mm×210mm×200mm。該掃描儀采用斜射式三角法測量原理。其具體測量原理如圖2所示，投影組件將多組條紋光投影到物體表面，相機組件拍攝物體表面條紋圖案并將圖案信息傳輸?shù)街骺匕?，主控板將圖案信息經(jīng)計算機通信接口傳輸至計算機，計算機根據(jù)三角法等[3、4]解析條紋曲率變化以及和所掃數(shù)據(jù)標(biāo)志點坐標(biāo)，精確計算出每個像素對應(yīng)物體表面的空間點坐標(biāo)和紋理信息，最終達到獲得物體表面三維點云數(shù)據(jù)。若被測物體沿表面法線方向移動距離M，則在CCD上的像點也會有相應(yīng)的移動距離N，根據(jù)CCD上的距離N，可以計算物體位移M。

圖2 斜射式三角法測量原理

2.2 掃描過程

不同的設(shè)備對產(chǎn)品的掃描過程基本相同，大致經(jīng)過以下幾個階段：1）對掃描儀進行標(biāo)定；2）判斷掃描環(huán)境是否可行，如環(huán)境光線，噪聲大小等。3）觀察產(chǎn)品的形狀特征、顏色、大小等，若顏色過深或反光，可通過顯影劑進行正確噴涂；4）規(guī)劃掃描路徑，進行標(biāo)志點粘貼；5）調(diào)整掃描儀參數(shù)，如：曝光值、掃描儀與工件的距離、相機與工件角度參數(shù)等；6）對工件進行掃描；7）數(shù)據(jù)的處理。對于掃描完的點云數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)量過大，可通過掃描軟件自帶的數(shù)據(jù)處理功能，將多余的點云去除后再導(dǎo)出成txt、asc格式等，以供給后續(xù)的點云數(shù)據(jù)處理軟件使用。

3 產(chǎn)品掃描

本文研究用的3D掃描儀主要通過轉(zhuǎn)盤來旋轉(zhuǎn)工件，該轉(zhuǎn)盤上下面都具有旋轉(zhuǎn)功能。如圖3所示。對于單目的3D掃描儀，難于對產(chǎn)品通過單次掃描來獲得掃描件的所有數(shù)據(jù)，因此，需通過移動工件或移動3D掃描儀進行多幅掃描，在產(chǎn)品的掃描過程中，第一幅點云與第二幅點云通過公共的標(biāo)志點進行拼接，從而獲取掃描件的全部數(shù)據(jù)。如圖4所示為電話手柄不同幅面公共點的粘貼順序。每幅公共標(biāo)志點數(shù)不得少于3點，市場上的3D掃描儀基本上都具備自動拼接功能。

圖3 3D掃描儀

圖4 掃描件的公共標(biāo)志點

3.1 具有平面底托產(chǎn)品的3D掃描

某些產(chǎn)品的底面具有平面特征，或者其底面特征可通過后續(xù)正向設(shè)計進行建模，不需進行3Ｄ掃描，本文把這些產(chǎn)品定義為具有平面底托的產(chǎn)品，如圖5所示，這類產(chǎn)品在掃描時可通過以下兩種方法：１）若掃描工件較大，且上表面有較平緩的曲面特征或平面特征時，可將標(biāo)志點貼于工件上，并直接放置在黑色絨布上，通過轉(zhuǎn)盤或手動轉(zhuǎn)動掃描工件進行多幅掃描；2）若掃描工件較小，或該工件不宜粘貼標(biāo)志點，可將標(biāo)志點貼在轉(zhuǎn)盤上，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤進行多幅掃描。

圖5 具有平面底托的產(chǎn)品

若有些產(chǎn)品由于受保護而不能在其上貼標(biāo)志點，可通過在旁邊放置能貼標(biāo)志的輔助件進行掃描，但兩工件必須放置于轉(zhuǎn)盤上，且第一幅掃描后，兩掃描件的相對位置不能發(fā)送變化。

3.2 全曲面產(chǎn)品的3D掃描

某些產(chǎn)品的外表面是曲面特征，如圖6所示為剃須刀的外觀，這類產(chǎn)品在掃描時，不容易平穩(wěn)放置，為了防止在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤時，影響掃描件的移動，可通過黑色橡皮泥將掃描樣品短時間粘貼在轉(zhuǎn)盤上，并將標(biāo)志點貼在轉(zhuǎn)盤上，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤進行多幅掃描。待正面數(shù)據(jù)都已掃描完整時，采用轉(zhuǎn)盤的反面進行放置掃描件，并將掃描件翻轉(zhuǎn)，在掃描件翻轉(zhuǎn)前后要在工件合適位置處貼有公共標(biāo)志點，否則無法過度，翻轉(zhuǎn)成功后，即可繼續(xù)掃描。但產(chǎn)品若噴有顯影劑，容易將掃描件表面的顯影劑去除，影響下一幅面點云的掃描質(zhì)量。

圖6 全曲面產(chǎn)品

一般情況下，將標(biāo)志點貼在掃描樣件有較平緩的曲面特征上，如圖6所示為剃須刀不同表面標(biāo)志點的粘貼情況。貼標(biāo)志點時，盡量不要在同一直線上，且不同面的粘貼。將掃描工件直接放置在黑色絨布上，通過手動轉(zhuǎn)動掃描工件進行多幅掃描。只要不同幅面的掃描時有公共的標(biāo)志點，就能順利拼接。布局盡量不同。

3.3 大尺寸產(chǎn)品的3D掃描

有些產(chǎn)品的尺寸較大，超過了我們所使用的掃描儀掃描的幅面?？刹捎檬殖质綊呙鑳x或者工業(yè)用掃描儀獲取數(shù)據(jù)。對于掃描幅面較小的掃描儀，我們可通過單幅掃描并將每幅點云數(shù)據(jù)依次保存，再將這些點云導(dǎo)入到Geomagic studio 進行手動對齊。這種方法要求在掃描過程中，不同幅面要有公共的掃描件特征。由于每幅的點云數(shù)據(jù)都各自保存，此類掃描可不需在掃描工件上或轉(zhuǎn)盤上貼標(biāo)志點，掃描雜質(zhì)點較少，后續(xù)點云和面片處理較簡單。通過Geomagic studio的手動對齊能有效地解決大尺寸產(chǎn)品的掃描問題。

3.4 具有薄殼類產(chǎn)品的3D掃描

有些產(chǎn)品由于是薄殼類，在翻轉(zhuǎn)掃描時，難于用標(biāo)志點來過渡。本文提出一種結(jié)合Geomagic studio軟件的對齊方式來對薄殼類產(chǎn)品進行3D掃描和數(shù)據(jù)處理。如圖7所示為一薄殼類掃描件的上表面和下表面，由于上表面在掃描完成后，翻轉(zhuǎn)時，難于用公共標(biāo)志點進行過渡。這類產(chǎn)品可以采用在上表面和下表面交接位置處粘貼等直徑的球體，先將上表面掃描完整，翻轉(zhuǎn)后將下表面掃描完整，分別保存兩份點云數(shù)據(jù)，通過Geomagic studio軟件的“探測球體目標(biāo)”功能進行正反面數(shù)據(jù)的拼接，最后再將球體點云數(shù)據(jù)去除。這種方法適用于薄殼類產(chǎn)品的掃描，但要求對探測球粘貼穩(wěn)定、可靠。

圖7 殼類產(chǎn)品

4 產(chǎn)品3D掃描的誤差分析

3D掃描技術(shù)處于前沿科技，國內(nèi)外對3D掃描仍處于探索研究階段。影響掃描精度的原因也較多，大致可歸類為：

1）掃描系統(tǒng)自身引起的誤差

對于非接觸式白光掃描儀，光柵條紋的疏密程度、光柵質(zhì)量、攝像頭質(zhì)量等都會影響到掃描的質(zhì)量，此外，設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)也會影響到掃描質(zhì)量，如散熱風(fēng)扇的震動、絲桿傳輸結(jié)構(gòu)的標(biāo)尺誤差等。設(shè)備本身信號的處理也會對掃描精度產(chǎn)生影響。

2）測距范圍引起的誤差

每臺掃描儀都有合適測量范圍，對于光學(xué)掃描儀，要求對掃描頭和掃面工件的距離進行調(diào)整后方能進行掃描，本研究所用設(shè)備“Win3DD-M”3D掃描儀的合理掃描范圍在560～640mm，測距誤差對掃描質(zhì)量影響很大[5]。當(dāng)掃描件的尺寸較大時，部分特征已經(jīng)超出了測距范圍而引起誤差。

3）標(biāo)定引起的誤差

在相機標(biāo)定的過程中，標(biāo)定塊的擺放位置、標(biāo)定的步驟、調(diào)整的曝光率程度和參數(shù)的設(shè)置都會對測量結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。標(biāo)定方法若存在缺陷，容易對后續(xù)的產(chǎn)品的掃描質(zhì)量產(chǎn)生影響。

4）環(huán)境引起的誤差

掃描環(huán)境的光線、周邊環(huán)境引起的震動、溫度、氣壓[6]等都會帶來一定的雜質(zhì)點云；此外，掃描工件以外的一些淺色物體也會帶來一定的雜質(zhì)點云，如掃描工件附近周圍的淺色地板和底盤為去除干凈的淺色雜質(zhì)等。

5）坐標(biāo)系拼接引起的誤差

在掃描過程中，不同幅面點云依靠公共點坐標(biāo)進行拼接，工件在移動時可能會引起標(biāo)志點的松動，因此，容易引起拼接使點云出現(xiàn)錯層。

6）操作引起的誤差

操作者對標(biāo)志點的粘貼水平、顯影劑噴涂的厚度、曝光值大小的調(diào)節(jié)、工件旋轉(zhuǎn)及翻轉(zhuǎn)的順序等都會引起掃描點云的誤差。

5 結(jié) 論

本文采用單目白光掃描儀研究不同形狀特征的產(chǎn)品的3D掃描技巧，提出不同特征類型產(chǎn)品（平底產(chǎn)品、曲面產(chǎn)品、大尺寸產(chǎn)品、薄殼類產(chǎn)品）的3D掃描方法，并分析在掃描過程中引起點云質(zhì)量的原因。為逆向工程后續(xù)步驟（點云數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)、數(shù)字化設(shè)計）提供準(zhǔn)確可靠的點云數(shù)據(jù)。

在研究過程中，還存在一些問題難于解決，如：1）死角點云數(shù)據(jù)的獲??；2）特小尺寸產(chǎn)品由于無法貼標(biāo)志點，難于獲取點云數(shù)據(jù)；3）較大產(chǎn)品[7]和動物的掃描。本文作者認(rèn)為通過手持式掃描儀和掃描精度較高的掃描儀可解決此問題。

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（責(zé)任編輯:季平）

Research on 3D scanning technology based on different product features

HUANG Jia-fu1, YOU Qing-hua2, CHEN Xin-zhao1, LIN Chun-rong1

(1. Mechanical and Automation Engineering Department, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000, China; 2. Xiamen Institute of Technology, Xiamen 361000, China)

It can reduce the design cycle by using the 3D scanning equipment to obtain the products’ 3D data. In this paper, the scanning process and the principle of scanning product are studied. Proposed 3D scanning method for flat products, the surface products, products with large size and thin shell products, combined with Geomagic Studio software, processing the point cloud data. In this paper, we also analyze factors that affect the 3D scanning precision, so as to provide a high accuracy of point cloud for subsequent digital design.

3D scaning; reverse engineering; point cloud data; scanning precision

TP391.73

A

1673-1417（2016）03-0001-06 doi:10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2016.03.0001

2016－05－26

漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研課題（ZZY1507）。

黃加福（1984—），男，福建龍海人，講師，碩士，研究方向：逆向工程，精密加工。