王春光++李海霞

摘 要：目前數(shù)字化模型的獲取成為技術發(fā)展瓶頸。三維光學掃描技術可以對不規(guī)則曲面部分的數(shù)字特征進行獲取，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理最終得到數(shù)字化模型。隨著數(shù)字化裝備制造技術的發(fā)展，數(shù)字化模型的獲取成為技術發(fā)展瓶頸。三維軟件造型技術雖然能過在一定程度上解決這一問題，但是由于檢測手段局限，一些問題仍無法解決，尤其是不規(guī)則曲面部分的數(shù)字特征，不借助特殊的儀器無法完成，光學三維掃描就是目前應用較為廣泛的技術手段。本文以模具開發(fā)過程為例介紹光學三維掃描技術在曲面數(shù)字特征取得過程中的應用。

關鍵詞：光學三維掃描；數(shù)字模型；數(shù)據(jù)處理

一、前期準備

三維面掃描系統(tǒng)（圖1）調(diào)整與標定，為了保證掃描精度，在設備長期不用或焦距調(diào)整過之后，需要進行標定。這一過程類似于三坐標測量機使用前的標定測頭，是系統(tǒng)初始化的過程。要求操作者一定按要求操作，以保證測量精度。在標定時，系統(tǒng)會提示從幾個不同角度對焦，這主要是為了保證在掃描過程中陡峭曲面的檢測精度而進行的操作。下面介紹面掃描儀標定的過程。

標定板（圖2）是一個均布了許多白點的大理石板，這些整齊排列的白點就是標志點，是檢測中掃描設備所能識別的點，因為其大小一致，不能彼此區(qū)分，只是普通的標志點，沒有具體編號。相對于非編碼標志點，還有一種編碼標志點，圖標放大后如圖3，這些是不同型號的編碼標志點，圓周或矩形分布的黑色或白色點提供了二進制信號，黑點位置代表“1”，白點的位置則代表“0”，這些二進制信號表達了標定點的具體編碼數(shù)值，在點選系統(tǒng)標定選項后，彈出對話框如圖4所示，依據(jù)系統(tǒng)提示，改變標定板角度，以及標定板與鏡頭之間的距離，經(jīng)過一系列的操作，直到系統(tǒng)提示標定完成為止，操作結束。在系統(tǒng)標定過程中，操作者一定要注意按系統(tǒng)提示的角度擺放標定板，且要力求準確，兩個鏡頭與標定板的中心之間距離要對稱，這樣標定的效果才會更理想。

完成標定后的系統(tǒng)可以用來檢測工件了，但是為了掃描效果更好，取得的點云數(shù)據(jù)更密集且精度高，掃描之前需要在工件表面噴

顯影劑，因為這樣會是系統(tǒng)收到更多的漫反射光，顯影劑噴完后，接下來就是粘貼標志點，這些標志點是中心帶白點的黑點，背面有不干膠，可以方便地粘到工件表面，再粘貼標志點時，根據(jù)工件表面調(diào)整密度，在比較平緩的表面貼的比較少，在較陡峭的表面則需要密集一些，這樣能使掃描的曲面精度更高，因為一個工件的表面不可能一次掃描得到，在兩各掃描視野交界部位需要密集一些，這樣在兩次掃描時點云數(shù)據(jù)對接定位精度高，遵循了這些原則處理完的工件如圖5所示。

二、掃描工件

做好初期準備工作后，就可以進行掃描工作了，調(diào)整工件姿態(tài)，使其在一個姿態(tài)下能盡量多的掃描到表面，調(diào)整掃描鏡頭使其到工件的距離在1m左右，掃描窗口如圖6所示，打開系統(tǒng)和投影，然后按回車鍵，投影儀發(fā)出柵格光線并在工件表面平移，大概3秒鐘后，柵格光消失，在窗口工作頁面出現(xiàn)當前視野內(nèi)工件的部分表面點云數(shù)據(jù)。柵格光照射在工件表面上，其柵格寬度隨工件表面遠近凸凹而變化，三維光學掃描系統(tǒng)就是利用了這一現(xiàn)象，根據(jù)柵格寬窄變化計算深淺凸凹。在掃描完一個視野后，移動掃描設備到下一個視野，移動時注意與上一個位置的視野有3個以上的重疊標志點，以便于計算機拼接點云數(shù)據(jù)，掃到的點與數(shù)據(jù)如圖所示，從各個不同的視野掃描得到的點云數(shù)據(jù)用不同的顏色加以區(qū)別，根據(jù)重合的標定點，計算機已經(jīng)對數(shù)據(jù)進行了拼接。拼接精度與軟件處理能力以及掃描設備的掃描精度有關，也與視野重疊的標志點個數(shù)有關，所以再掃描時，注意掃描標志點的選取，另一方面還要注意掃描效率，過多的重疊會增大數(shù)據(jù)量，這勢必造成數(shù)據(jù)處理速度降低，噪點也會相應增多，為后期數(shù)據(jù)處理增添麻煩，幅面太多也會增加掃描次數(shù)，降低工作效率。

三、數(shù)據(jù)處理

掃描得到的點云并不適合于直接用來造型，這是因為：一方

面，雖然一個截面內(nèi)的測量點理論上應該在一個平面內(nèi)，但由于測量機的誤差及其它因素的影響，所得數(shù)據(jù)點的坐標值可能會有少量偏差。用這樣的一些點來直接造型，顯然不能滿足要求。生成的曲線可能不光順，而且不在同一個平面內(nèi)，從而使最終的表面不符合要求， 因此應當對讀入的點進行處理。這個環(huán)節(jié)也是反求建模的一個重要環(huán)節(jié)，常用的點云處理軟件有Imageware、Raindrop、Geomagic Studio、Paraform、ICEM Surf、Copy CAD 等，但是不管是哪一款軟件，在數(shù)據(jù)處理中，過程都離不開壞點去除，點云精簡，數(shù)據(jù)插補，數(shù)據(jù)平滑，數(shù)據(jù)分割等幾個步驟，由于掃描過程不可避免會引入測量誤差，尤其是尖銳邊角和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面。壞點又稱跳點，屬于噪點的范疇，通常由于測量設備的標定參數(shù)發(fā)生改變和測量環(huán)境突然變化造成的，對于手動人工測量，還會由于誤操作是測量數(shù)據(jù)失真。壞點對曲線、曲面的光順性影響較大，因此測量數(shù)據(jù)預處理首先就是要去除數(shù)據(jù)點集中的壞點。

當測量數(shù)據(jù)過密，不但會影響曲面的重構速度，而且在重構曲面的曲率較小處還會影響曲面的光順性。因此，在進行曲面重構前，需要建立數(shù)據(jù)的空間鄰域關系和精簡數(shù)據(jù)。在均勻精簡方法中，通過以某一點定義采樣立方體，求立方體內(nèi)其余點到該點的距離，再根據(jù)平均距離和用戶指定保留點的百分比進行精簡。在精簡時要注意到：精簡距離為2mm，精簡后的點云在空間分布均勻，適合數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

點云經(jīng)過降噪，精簡后進入創(chuàng)建多邊形環(huán)節(jié)，不同的軟件操作方法大體相同，三角片格式是stl文件，用于表示三角形網(wǎng)格的一種文件格式。 它的文件格式非常簡單，只表達三維物體形狀，不表現(xiàn)顏色等其它特征，占用空間小，應用很廣泛。

由于測量機的限制，得到的數(shù)據(jù)會存在一些探頭無法測到的區(qū)域，另外實物零件中存在表面缺口、孔洞及溝槽等，使曲面出現(xiàn)缺口，這樣在造型時就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)空白，影響曲面的逆向建模。為了能保證數(shù)據(jù)完整，需要對這些空白位置進行填充，在點云處理軟件中最常用的是目前應用于逆向工程的數(shù)據(jù)插補方法主要有曲線、曲面插值補充法等。針對于Geomagic Studio軟件講解一下補洞過程，補洞窗口如圖所示，針對于不同的孔洞形式，補洞式也有所不同，

另外，還可以利用公差選項來執(zhí)行簡化，選擇公差后，標明公差范圍，和三角面處數(shù)量的低限，軟件會計算出一個比較適合的面片數(shù)量。同樣還是要觀察物體衰減后的的表面質(zhì)量，如果表面細節(jié)損失很多的話，就適當?shù)陌压钪嫡{(diào)小，把三角面片低限調(diào)大些掃描數(shù)據(jù)因為物體本身的光反射效果，表面大多數(shù)都是精糙的。不是平滑的，Gomagic軟件有三種平滑方式。分別是砂紙、減少噪音和松馳。因此我們需要用到光滑命令，如果在處理點云的時候砂紙對話框的可選項目只有松弛和清除兩項，松弛是將表面三角面片數(shù)據(jù)移動位置與其它面片數(shù)據(jù)曲率連續(xù)。而清除是將表面數(shù)據(jù)刪除，并且改變區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)形狀來實現(xiàn)數(shù)表據(jù)表面的曲率連續(xù)。具體操作方法就是用光標在粗造區(qū)域上涂沫。清除和松馳在平緩區(qū)域進行平滑時驅(qū)別不太，而在死角，拐點位置平滑時，清除命令更優(yōu)于松弛命令。

經(jīng)過這一系列的處理，我們得到了工件的stl模型如圖，得到的模型可以在ug打開，把小平面實體加厚處理，就可以進行模具設計了。

參考文獻：

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