（计算机应用技术专业论文）激光扫描雕刻系统集成与数据处理.pdf

摘要 三维激光扫描仪能够快速测量产品原型，方便快捷地建立三维物体的c a d 模 型，在数字化设计与制造领域，如汽车制造、运动器材、家具、工艺品、文物古 董复制、三维动画、医学修复、人体测量等领域，具有广泛的应用。 三维激光扫描过程中，由于受到机械平台、面阵c c d 、激光发生器、电信号 干扰和被测物体表面特征等硬件因素的影响，及光学几何成像参数、光带中心提 取、物像对应关系标定等软件算法的影响，测量数据存在误差，制约了三维激光 扫描测量技术的应用，需要对测量数据进行误差分析和补偿。 国内外有关激光扫描测量的文献很多，其中研究测量原理、测头结构设计、 多视拼合、逆向重构方面的文献占绝大多数，专门研究测量精度、分析测量误差 的文献不多。本文针对家具、工艺品、古筝古琴等传统行业数字化设计与制造的 需求，研究三维激光扫描仪与雕刻机的软件和硬件的系统集成，解决了三维扫描 数据点生成雕刻欢度图过程中的问题，分析了影响三维激光扫描测量精度的各种 因素，重点对其中的光平面投影模型、光平面反射模型和左右c c d 互补匹配的误 差进行了分析和研究。主要工作如下： 1 将课题组自主研制的激光扫描仪和企业已有的多个品牌数控雕刻机进行集 成，解决了集成系统的运动一致性问题。设计并实现了雕刻用灰度图生成算法， 针对测量数据中的漏洞，对点云数据进行x y 两个方向上的进行插补，解决了雕 刻用灰度图的数据空缺问题； 2 分析光学投影和光学反射过程中影响三维激光线扫描测量精度的因素。针 对光平面位置误差盼隋况，首先建立光平面投影模型，分析光平面两种位置误差 对测量精度的影响，在测量系统中实现光平面投影图像的偏差反馈，通过调整光 平面位置，达到提高测量精度的目的： 3 针对光能中心与光学几何中心偏差引起测量误差的情况，分析被测物体表 面法矢对图像中心提取的影响，通过正交试验法获得物面法矢与测量误差之间的 关系，利用所得的误差补偿关系式，对实际测量结果给出合理的误差补偿。分析 了激光扫描测量过程中左右c c d 不互补造成的误差现象及成因，提出了一种基于 邻域分析的光滑处理算法，较好地解决左或右单一c c d 采集数据与双c c d 采集 数据之间切换的匹配问题。 本文研发的激光扫描与数控雕刻机集成系统已在江苏、浙江、山东、山西、 上海、广东、吉林等地的红木家具、工艺品( 木雕、石雕、玉雕、砖雕) 、古筝古 琴行业的3 0 余家企业得到应用，国内高校南京艺术学院亦引进了本文研发的设各 与技术，并通过代理销往印度。论文研究的算法在实际应用中得到检测，满足了 用户的需求。 关键词：三维激光扫描，投影，反射，c c d 互补匹配，误差分析，雕刻机 a b s t r a c t 3 dl a s e rs c a n n e rc a nq u i c k l ym e a s u r et h em o d e l so fp r o d u c ta n dav a r i e t yo fm o l d i th a v ea w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h ed i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，s u c ha sc a r sm a n u f a c t u r e ，s p o r t s e q u i p m e n t ，f u r n i t u r ep r o d u c t i o n , c o p yo fa n t i q u ea n da r t w o r k , t h r e e d i m e n s i o n a la n i m a t i o n , v i r t u a l r e a l i t y ，m e d i c a lr e h a b i l i t a t i o n ，b o d ym e a s u r e ，e - c o m m e r c ea n ds oo n i nt h ep r o c e s so f3 dl a s e rs c a n n i n g ，d u et ot h ee f f e c t so fm e c h a n i c a lp l a t f o r m ，c c dc a m e r a , l a s e rd i o d e ，e l e c t r i c a li n t e r f e r e n c e , t a r g e ts u r f a c ep r o p e r t y , a n dt h ee f f e c t so f g e o m e t r i c o p t i c a lm o d e l ， l a s e rs t r i p ee x t r a c t i o n ，c a l i b r a t i o no fo b j e c t - i m a g er e l a t i o n ，t h em e a s u r e m e md a t ah a dac e r t a i ne r r o r , s oi t sn e c e s s a r yt od oe r r o ra n a l y s i sa n de r r o rc o m p e n s a t i o nf o rt h em e a s u r e m e n td a t a s t u d yo nt h el a s e rs c a n n i n gm e a s u r e m e n ti sm o r et h a nr e s e a r c ho nm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n d a n a l y t i c a lm e a s u r e m e n te r r o ra th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei m p a c to f3 dl a s e r s c a n n i n gm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，a n dm a i n l yr e s e a r c h e sl i g h tp l a n ep r o j e c t i o nm o d e l ，l i g h tp l a n e r e f l e c t i o nm o d e l ，l e f ta n dr i g h tc c d c o m p l e m e n tm a t c h i n g ；a l s o ，w es t u d yt h e3 dl a s e rs c a l l n e ra n d c n ce n g r a v i n gm a c h i n es y s t e mi n t e g r a t i o n , a n dh a v eb e e ns o l v e dg e n e r a t i o na l g o r i t h mo fg r a y i m a g e ，t h er e s u l t sh a sb e e na p p l i e dan u m b e ro ff u r n i t u r ei n d u s t r yi nt h ey a n g t z er i v e rd e l t ar e g i o n m a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ： a n a l y s i st h ee f f e c to fo p t i c a lp r o j e c t i o nm o d e la n do p t i c a lr e f l e c t a n c em o d e li n3 dl a s e rl i n e s c a nm e a s u r e m e n ta c c u r a c y a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n te r r o r se x i s t i nt h eo p t i c a lp r o j e c t i o n m o d e l ，w ef i r s te s t a b l i s ho p t i c a lp r o j e c t i o nm o d e l ，a n da n a l y z et w ot y p e so ft h el i g h tp l a n ep o s i t i o n ， a n dh a sr e a l i z e dt h eb i a sf e e d b a c ko fi m a g eo fo p t i c a lp r o j e c t i o ni nt h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o n ，t h e n w ec a na d j u s t i n gt h el i g h tp l a n ep o s i t i o nt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yp u r p o s e s d u et ot h e e f f e c t so f n o r m a lv e c t o ro fo b j e c ts u r f a c e ，t h e r eh a sd e v i a t i o nb e t w e e ne n e r g yc e n t e ro fl i g h ts t r i p e a n dg e o m e t r i cc e n t e ro fl i g h tp l a n e ，t h eo r t h o g o n a lt e s tm e t h o dw a su s e dt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed e v i a t i o no ft r u em e a s u r e m e ma n dt h en o r m a lv e c t o ro fo b j e c ts u r f a c e ，a n dg i v ea r e a s o n a b l ee r r o rc o m p e n s a t i o no nt h ea c t u a lm e a s u r e m e n td a t a l e f ta n df i g h tc c dc o m p l e m e n tm a t c h i n gi st h ek e yi s s u e si nt h e3 dl a s e rs c a n n i n g m e a s u r e m e n ts y f l e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee r r o rp h e n o m e n o na n dg e n e s i so fl e f ta n dr i g h tc c d c o m p l e m e n tm i s m a t c h i n gi nt h ep r o c e s so fl a s e rs c a n n i n gm e a s u r e m e n t , a n dp u t sf o r w a r dan e w a l g o r i t h mo fl e f ta n dr i g h tc c di m a g ec o m p l e m e n tm a t c h i n gw h i c hi sr e c o n s t r u c t e d3 dd e p t h i n f o r m a t i o nf r o mt w ol a s e rl i n ei m a g e s ，t h ea l g o r i t h mi sb a s e do nt h es t a t ei n f o r m a t i o no ff i v ed a t a p o i n t sw h i c hi nt h es a l t l el a s e rc e n t e rl i n e t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h i sa l g o r i t h mi m p r o v e sl e f t a n df i g h tc c d c o m p l e m e n tm a t c h i n ga c c u r a c y i nt h i sp a p e r , ae n g r a v i n gg r a yi m a g es o f t w a r em o d u l ew h i c hi nt h ec o m m e r c i a l3 dl a s e r s c a n n i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a c c o r d i n gt o d a t av u l n e r a b i l i t ya n d s t e p sv u l n e r a b i l i t yi nt h em e a s u r i n gd a t a , l i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，v u l n e r a b i l i t yi n t e r p o l a t i o na n db e n c h i n t e r p o l a t i o nw e r eu s e di nxd i r e c t i o na n dyd i r e c t i o no fp o i n tc l o u dd a t a , a n dt h ep r o b l e mo f v a c a n c yi nt h eg r a yi m a g ew a ss o l v e d a n da l s ow ea c h i e v et h el a s e rs c a n n e ra n dc n ce n g r a v i n g m a c h i n ei n t e g r a t i o na n ds o l v e sc o n s i s t e n c yp r o b l e mo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m a tp r e s e n t , t h i s s y s t e mh a sb e e nr u n n i n gd o z e n so fd i f f e r e n t c l a s s i c a lf u r n i t u r ef a c t o r y , m o l df a c t o r y , d e s i g n c o m p a n i e s ，s c h o o l s ，b u s i n e s s e sa n di n s t i t u t i o n s ，a n de n h a n c ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v e n e s s ，a n db r i n g g r e a tb e n e f i tf o rc o m p a n y k e y w o r d s ：3 ds c a n n i n g ，p r o j e c t i o n , r e f l e c t i o n ，l e f ta n df i g h tc c dc o m p l e m e n tm a t c h i n g , e r r o r a n a l y s i s ，e n g r a v i n gm a c h i n e 扬州大学硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 弋考 签字日期：_ 易年土月客日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：武弓导师签名：厂 签字日期：飞房年j 月宕日 签字日期：年月 日 武杰：激光扫描雕刻系统集成与数据处理 1 绪论 1 1 课题研究背景 我国是一个拥有悠久历史和灿烂文化的国家，上下五干年的历史长河中传统 工匠们在华夏大地上以自己的智慧创造出了众多别具风格的雕刻。【艺品样式，其 造型美观，遍及人们生活的各个方面，例如：红木家具、工艺装饰品、古筝古琴 等，其中包含众多木雕、石雕、玉雕( 如图卜1 所示) ，深受人们喜爱，形成了鲜 明的中国符号和中国文化元素。 鋈曩童闺 ( a ) 苏州红木家具 ( b ) 寿右雕( c ) 扬州漆器( d ) 东阳木雕 图1 一l 部分传统雕刻样品 但是，传统的雕刻加工是一门技术性要求很高的手丁技艺( 如图卜2 所示) ， 产品的质量主要取决于雕刻师傅的技艺水平，而且劳动生产率低、成本高，制品 的随意性强、一致性差、批量性差。随着市场需求的不断扩大以及生活水平的提 高，人们对满足审美要求的雕刻类产品卅现了前所未有的埔长，对红木家具、各 类雕刻工艺品等雕刻产品提出了大量需求。 瓣黼区鬈 ( a 1 传统雕刻刀具 a ( b ) 东阳木刻( c ) 清明上河图雕刻( d ) 彳摊雕刻 图1 2 传统雕刻加卜f 。艺 近些年来，数控雕刻机在传统雕刻行业中得到广泛推广，实现了雕刻加工的 自动化，机器雕刻相比手工雕刻效率提高3 至4 倍；同时，借助于专用的雕刻 c a d c a m 软件系统，方便了3 d 建模、处理的工艺流程，使得传统雕刻制品的机 器化批量生产成为现实，精美的雕刻工艺品为更多的消费者所接受。 扬州大学硕士学位论文 但足现有的数控雕刻机及其辅助设计软件不具各3 d 自动建模功能，雕刻产品 的3 d 设计过程复杂、周期长、效率低。如何解决复杂3 d 雕刻型面快速建模的问 题，拓展数字化雕刻技术在雕刻领域的应用，是数控雕刻市场的迫切要求。 。嚣豳1 原型样什激光扫描+ 点云数据+ 灰度图- 白动雕刻- 雕刻成品 图1 - 3 扫描雕刻加工流程 要实现如图1 - 3 扫描雕刻加工流程，需包含如下几个关键技术： ( 1 ) 原型样件数据采集 要将现有的激光扫描测量技术应用于红木家具、精细玉器、艺术装饰等对术 雕、石雕、玉雕等要求复杂、精美、艺术性很强的行业里，集成到平台精度不高 的数控雕刻机上，就面临如何提高扫描数据测量精度的问题，所以需要分析影响 激光扫描测量数据精度的因素，并给出提高测量精度的措施； ( 2 ) 扫描点云转换为雕刻欢度图 激光扫描测量生成的点云数据不能直接用来雕刻加工，现有雕刻机专用的 c a d c a m 软件系统( 如a r t c a m ，j d p a i n t ) 的数据接口部分为由点云数据所生 成的s t l 格式的数据，但足由于生成s t l 格式需进行逆向重构，对雕刻加工操作 人员和雕刻加工企业提出了更高的技术要求和资金要求，所以本文就提出了一种 新的接e l 数据根据花纹深度信息所生成的雕刻用扶度图； ( 3 ) 激光扫描测头与雕刻机的系统集成 三维激光扫描仪目前在国内外已有应用，但国内报价多在1 0 万到2 0 万之间， 国外报价为国内的2 4 倍，传统家具、工艺品行业大多是私营中小企业成本与 人员的限制严重制约了激光扫描仪的应用，与企业现有雕刻机进行集成，合理利 用了企业现有资源，更重要的是减少了企业的设备投资。 1 2 三维激光扫描技术研究现状 12 1 三维激光扫描技术的发展 三维激光扫描测量技术具有的精度高、速度快、非接触、成本低的特点，目 前，已经成为了三维形状数字化的主要方法。2 0 世纪7 0 年代初p e n n i n g t o n 和w i l l 首先提出三维激光扫描技术【l “，宣告三维扫描技术新时代的到来，随后 武杰：激光扫描雕刻系统集成与数据处理 p o p p l e s t o n e 、b i n f o r d 和a g i n 等人采用光条提取物面三维信息【l 。至8 0 年代 p o t m e s i l 、t i o 和m c p h e r s o n 等人分别采用激光或白光作为光源i l 取1 9 j ，形成点、线 或光栅的投影，再通过摄像机摄取物体上的漫反射光，使用三角法得到物体的三 维形貌。但一开始，这些技术并没有能够产品化，因为三维激光扫描技术对图像 采集装置、计算机性能、电子元器件等都提出了很高的要求。 2 0 世纪9 0 年代，随着数字化设计与制造技术的发展，对三维形状进行快速精 密测量的需求越来越迫切，英国3 ds c a n n e r 、德国g o m 、法国k r e o n ，美国 c y b e r w a r e 和p e r c e p t r o n 、日本r o l a n d 等发达国家的企业相继开发出商用光学测量 设备( 如图1 4 所示) ，目前在发达国家，三维激光扫描已经形成了一定的产业规 模，上述列举的产品在精度、速度、易操作性等方面都是处于世界领先水平的， 而且还在不断的推出新产品。 例如，3 ds c a n n e r 公司是世界最早开发三维激光测量系统的制造商之一，对 三维激光扫描市场的影响巨大，其产品采用线结构光扫描测量法，开发的测量仪 器扫描速度可达1 5 0 0 0 点秒，精度达到了0 0 1 m m 。德国g o m 公司出品的a t o s 系列光栅照相式扫描系统，是目前中国市场上比较常见的光学扫描系统，主要用 于复杂曲面的扫描，其精度可以达到0 0 2 m m ，而且速度达到1 3 0 0 0 0 0 点秒。美 国的c y b e r w a r e 公司最早开始从事三维人体扫描仪研究，它的w b 4 全身激光扫描 仪采用激光扫描三角测量技术，可以在1 2 秒内扫描直径1 2 m 、高2 m 彩色的圆柱 体人体，准确度在5 m m 以 i l - 1 5 , 2 0 。 扬州大学硕士学位论文 日医五 口， a ) 法国k r e o n 公司的扫( b ) 德国g o m 公司的a t o s 系列扫描仪( c ) 日本r o l a n dl p x 描仪一6 0 0 犁3 d 激光扫描仅 蹴；丞圆 ( d ) 美国c y b e r w a r e 公司 ( e ) 英国3 ds c a n n e r 公司手持式扫描仪( f ) p e m e p ”o n 扫描 人体测量仪仪 图1 4 部分国外知名三维激光扫描畦备书1 上述这些产品大多于2 0 世纪9 0 年代术进入中国，国家科技部、各级地方政 府设立的为中小企业提供产品设计和快速原型，模具制造等技术服务的生产力促进 中心大多引进的是这些公司的设各与技术。 国内的清华大学、天津大学、重庆大学、华中科技大学、西安交通大学、浙 江大学等科研院所于上世纪9 0 年代相继开展了三维激光数字化扫描仪的研究，在 机械平台、机电控制、激光测头等硬件制作方面取得了较大进展m j ，但在数据 处理软件及系统集成方面与国外差距较大，商品化的数字化系统很少，比较典型 的有华中科技大学快速成型中心研制的h r e 系列三维激光扫描系统1 2 6 ( 如图1 5 ( a ) 所示) ，目前精度可达到00 5 m m 。主要原因是研究成果与产业化脱钩，很多应用 过程中的实际问题未得到解决，严重制约了国内三维形状数字化技术的产业化。 此外，国内一些企业也投入资金进行了三维激光扫描仪的研发并实现了商品 化( 如图1 5 ) ，如北京荣创兴业科技发展有限公司的v l s - 2 0 0 2 0 0 + 型t 维激光扫 描仪，测量精度达到o 0 2 m m ，测量范围达到8 0 0 m m 6 0 0 m m 4 0 0 r a m ；北京天 远三维科技有限公刮生产的o k i o 系列三维扫描仪，采用照相式扫描，扫描速度 快，一次可以扫描出一个面，单面扫描时间小于1 0 s ，单片扫描精度最高可达 0 叭5 m m 1 。 武杰：激光扫描雕刻系统集成与数据处理 一 i 薯蜀臂 ( a ) 华中科技大学( b ) j e 京荣创兴业公司( c ) j b 京天远公司的o k i o 系 h r e 系列二维激光扫描系统v l s 2 0 0 2 0 0 + 型三维激光扫描仪列三维扫描仪 叠生毋 ( d ) 台湾智泰三维激光扫描仪( e ) 深圳华朗三维公司的h o l o n -( d 本研究室自主开发的 3 d m 型三维激光扫描仪三维激光线扫描仪 图l 一5 部分国内拥有自主知识产权的三维激光扫描仪“2 总体来说我国三维激光扫描技术的研究和应用起步较晚，缺少有自主知识产 权的产品，三维测量设各9 0 。0 以上依靠进口。目前在国内，如何将三维激光扫描 地应用于工业产品创新设计，如何根据企业设计的需要来开发合适的三维激光扫 描仪，还处于摸索阶段。 本文所作的部分工作基于课题组自主研发的三维激光线扫描仪( 如图1 - 5 ( 0 所 示) 。该扫描仪基十光学三角测量原理，采用双c c d 摄像机采集激光光川在物体 表面上的扫描光带，送入计算机进行处理，得到物体表面准确的三维坐标，通过 机台x y z 三轴直线运动和转台的回转运动，实现物体表面形状的数字化，一次扫 捕一条激光带，扫描速度较快，最高测量精度可达00 1 m m 。 1 2 2 三维激光扫描技术与其它三维形状数字化技术对比分析 物件对象的数字化要通过特定的测量设备和测量方法获取表面点云数据，点 云涵盖了扫描物体的所有表面特征，然后在此基础上进行复杂曲面的建模、改进 和制造。根据扫描测头是否和物件表面接触，物件点云获取方法基本上可分为两 大类：接触式与非接触式。接触式主要以探针式为主，常用的有触发式数据测量、 连续式扫描数据测量和层析式数据测量：非接触式主要是利用光学原理进行点云 数据采样，常用的有投影光栅法、激光测距法、激光三角形法和工业c t 法等。图 1 6 列举了全球部分典型的接触式与非接触式测量产品。 扬州人学硕十学何论立 隧氆爨柚 ( a ) 青岛海克斯康( b ) 美国c g i 公司自动( c ) 日本k o n i c a m i n o l t a 公司基( d ) 德国y x l o n 公司二坐标测量机断层扫描仪于激光测距原理的扫描仪公司基于c t 法的 激光扫描仪 圈1 6 部分接触式与1 接触式测量产品n - i s 对于这两种测量方式，各有优缺点。接触式测量方法技术成熟，有高精度性 和高可靠性，并且扫描探针直接接触测量件表面，受测量件表面的反射特性、颜 色及曲率变化的影响不大，缺点是价格高，测量速度慢，且球形探针容易磨损， 不易测量柔软易变形的材质。与之相比，非接触式测量采集速度快，测量精度较 高，可测量软、薄和不可接触的高精密工件，但其易受样件颜色、斜率等反射特 性和表面粗糙度的影响。表1 1 较为详细的列举了几种常用三维形状数字化方法 的采集原理、方式与特点。 武杰：激光扫描雕刻系统集成与数据处理 7 表1 - 1 几种常用三维形状数字化方法 点云获取种类 测餐原理或采集方式特点 利用安装在c m m 上的探针逐点采集 优点： 对象表面的点云数据，一次采样只能获 1 测量精度很高，0 0 0 5 j m ； 三坐标测取一个点的三维坐标值。当探针沿对象 2 不受样件反射特性影响； 接触式 量机表面运行时，对象表面上反作用力使探 3 可以直接测量样件几何特征； ( 触发 ( c m m ) 针位移，探针内弹簧的传感器便会测量 缺点： 式、层析 位移的大少、方向等，之后通过计算获 1 测革速度慢，需做半径补偿； 取各采集点的三维空间坐标。 2 软质表面无法进行测量； 式) 3 价格高； 将零件原犁填充后，采用逐层铣削和逐 优点： 层析法层光扫描相结合的方法获取原型不同 能测量任意复杂零件的内外结 构数据，精度较高； 位置截面的内外轮廓数据。 缺点：速度慢，破坏被测件； 优点： 1 无接触，测量速度较快； 根据光学三角型测量原理，以激光作为 2 精度较高_ - - 4 - 0 0 3 m m ，价格低； 基于光学光源，其结构模式可以分为点、线，将3 可以扫描软质样件； 三角型原 其投射到被测物体表面，采用c c d 接4 技术成熟，操作简单； 理的激光 收反射光，根据光点或光刀成象的偏 缺点： 扫描法移，通过被测物体基平面、象点、象距1 受样件表面光学反射特性影 等之间的关系计算物体的深度信息。响，如颜色、粗糙度、倾斜角等； 2 物体内表面以及光线被遮挡 的部分无法测量； 非接触式 优点： ( 投影光 将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅1 比基于点、线扫描获取点云数 栅法、激基于相位 条纹受物体表面形状的调制，其条纹间 据的速度快； 光三角形偏移测量 的相位关系会发生变化，数字图像处理 2 无接触，单幅精度高o 0 2 m m 法、c t 法原理的莫 的方法解析出光栅条纹图像的相位变 缺点： 等) 尔条纹法 化量来获取被测物体表面的三维信息。1 光栅制作有难度，且价格高； 2 拼合精度较低，0 1 眦 优点： 1 类似于医学c t ，可以测量物 基于r t 业 对被测物体进行断层截面扫描，以x体的内部结构和形状； c t 扫描图 射线的衰减系数为依据，经处理重建断2 属无损测量； 层截面图像，根据不同位置的断层图像缺点： 像法 可建立物体的三维信息。1 造价很高； 2 速度慢，精度很低，目前实用 设备的精度约为l m m 扬州人学硕士学位论文 从上表可以看出，基十光学三角型原理的激光扫描法测量精度较高，测量速 度快，成本低，技术成熟，本文采用基于光学三角型原理的激光线扫描法。 1 2 3 三维激光扫描技术应用领域 “工欲善其事，必先利其器”，在计算机广泛应用的今天，髓着三维形状数字 化水平的不断提高，现代企业已经能够最大化地运用三维数字化技术对产品进行 仿真设训、方便用户沟通，尽可能多地将错误和需求解决在设计阶段，使产品的 开发周期缩短，降低企业的生产成本。三维形状数字化技术已经成为现代产品研 发、生产制造与产品管理的基础，成为中国企业升级的关键性工具。国家在“l 一 一五”规划中，更是将三维产品模型列为制造业信息化的核心，要求把三维数字 化技术渗透到工业化与信息化“两化融合”的实践中，渗透到新一代创新型实用 人才培养的实践中，渗透到持续推动自主创新的进程中译i 。以下是依据目前国内外 形状数字化应用现状、结合自我研究总结的主要应用领域： ( 1 ) 产品设计：产品设计是三维形状数字化的主要应用领域，现在更多的产 品最计是设计师在已有产品或者实物模型基础上利用三维数字化技术将其转化为 c a d 模型，得到较为精确的数字定义，然后对计算机内的数字原型进行工艺和性 能卜的反复修改，最后送至数控加工中心或快速成型设备制造中心进行加工。这 样原本复杂的设计变得方便快捷，大大地提高了殴计速度，缩短了设计周期，一 切就这么简单。如罔1 7 所示分别是对汽车发动机的产品设计。 哟圈圆 ( a ) 实物模型( b ) 扫描点云( c ) 点云建造3 维模型 图1 _ 7 汽车发动机” ( 2 ) 产品检测：为了提高产品精度，对产品进行误差检测是非常重要的。加 工后的零件进行扫描测量后，构造出c a d 模型，通过将该模型和原始c a d 模型 在计算机上进行数据比较，可以检测出误差，然后在分析误差的基础上，对模型 进行修改，这样重复操作使该模型与原始c a d 模型b j 的误差越来越小，从而不断 提高产品精度，如图1 _ 8 所示。 武杰：激光扫描雕刻系统集成与数据处理 固一。l j k ( 曲轮毂锻模原型( b ) s t l 格式数据0 ) 误差比对( d ) 误差分布 蚓l 罐轮毂锻模检测实例” ( 3 ) 以人为对象的应用：与人相关的应用是三维形状数字化系统的重要应用 领域，不仅涉及服装、鞋帽、手套、眼镜等产品设计，而且在医学( 如假肢制作、 整形、计算机辅助镶牙、法医鉴定等) 、人机工程等领域大有作为。计算机辅助镶 牙就是形状数字化技术的重要领域之一( 如图l - 9 ) ，传统镶牙工艺制作过程繁琐， 周期长，患者反复试戴，极为不便。采用数字化设计与制作，镶牙工序简化，周 期由原来的几个月缩短为1 周以内。目前计算机辅助镶牙系统已在欧美等国商品 化，国内有少量进口。 圈鸣勺臼 ( 砷牙模点云数据( b ) 爿模s t l 数据0 ) 磨牙3 d 数据( d ) 切牙3 d 数据 凹i - 9 计算机辅勘镶牙 传统的服装制作加工都是按照标准尺寸批量生产的。随着生活水平的提高， 人们开始越来越多地追求个性化服装设计，量体裁衣。三维扫描仪可以快速地测 得人身体的所有尺寸，获得其立体模型，把这些数据与服装c a d 技术结合，可以 在计算机中的数字化人体模型上，按每个人的具体尺寸进行服装设计，设计出最 合适的服装，并可以直接在计算机上观看最终的着装效果( 如图1 1 0 ) 。 0 ) 人体扫描点云人体及内敬s t l 数据 幽l l o 内被服装业个性化定制i ”i ( 4 ) 影视艺术、游戏：艺术领域设计者基于美学需要对产品进行概念化设计， 在软材料制作的模型上进行修改，最终的设计成品通过逆向工程的方法由手工模 型获得。娱乐界、电影和游戏的制作中通常需要构造一些三维模型，这些模型首 扬州大学硕士学位论文 先由设计师做成实体模型，然后利用_ 三维形状测量技术获取模型的三维形状数据 并将其录入计算机内创建c a d 建模，进而利用它们制作特技片段( 如图1 - 1 1 ) 。 爆嘲圜 ( a ) 怪物点云及其3 d 模型( b ) 怪物点云及其3 d 模型( c ) 头颅点云及其3 d 模型 剐1 - il 数字化原i ：i ! | 设计1 ( 5 ) 文物保护：通过把文物数字化，避免了研究过程中对文物原件造成的直 接损伤方便了文物信息的长期保存，同时也为文物研究者和爱好者互相交流提 供了方便的手段。对于破损的文物，可以利用计算机已经建立的数字化模型基础 上模拟修补方案，方案论证通过后再实旌修复工程。例如，化石记录了地球生 物的进化过程，利用数字化手段，不仅可以在计算机中建立化石的模型，而且可 以根据动植物生长规律，还原动植物生前的原型，如图1 - 1 2 所示。 图i 1 2 扫描测量恐龙化石【 1 3 三维激光线扫描中的数据精度问题及其国内外研究现状 国内外相关激光扫描测量的文献很多，其中研究摄像机标定、测量原理、测 头结构设计、多视拼龠、逆向重构方面的文献占绝大多数，但专门研究测量数据 精度、分析测量数据误差的文献不多【l 玎埘】。三维激光扫描测量叶1 的数据精度问 题与其中的激光光带能最分布与激光带平面方位变化、物面法矢、被测物体表面 特征( 倾斜度、颜色及粗糙度) 、测量景深、物象对应关系、c c d 传感器和处理电 路等多种因豢相关，国内外干h 关研究文献都指出了这蝗冈素对激光扫描数据精度 的影响卜4 2 ”卅，因此，在分析激光扫描误差产生原因的基础上并给出提高测量精 度的措施是激光扫描测量技术在实际应用中亟需解决的问题。 例如，加拿大西安大略大学h s i y u n gf e n g 等口深入研究了物体表面颜色、景 深对测量结果的影响。国内天津大学徐玉春”在试验中证明表面粗糙度值太低， 武杰：激光扫描雕刻系统集成与数据处理 1 1 测头不能完成扫描测量，原因是表面存在较强的镜面反射光；曲率越大，测量误 差越大，因为光斑区域的表面平均高度变化加大。庄葆华【3 0 j 撰文认为在高精度激 光三角法位移测量中，被测表面的倾斜对测量准确度有很大影响，他利用了光散 射的基本原理研究光电接收器接收面上象光斑的光能质心偏移与倾斜角及位移量 之间的定量关系，并给出了计算机模拟及实验结果，探讨了减少或消除被测表面 倾斜影响的方法。 另一方面，相关学者也给出了一些提高测量精度的措施。例如，美国的 s z h a n g 、v r a j a 、w l l i m 等人 3 2 1 于2 0 0 2 年采用实验设计法对逆向工程过程的数 据获取进行误差分析，提出了一种减少测量误差和不确定性的综合方法；西安交 通大学的丁建军【3 3 】提出了一套用于激光测量系统误差提取与补偿的方法，该方法 通过在不同高度测量固定直线来提取不同景深位置的测量误差，并从中分离出测 头在不同测量高度存在的系统误差，利用标定结果以及高度方向的误差补偿点阵， 提取高度误差补偿后的测量结果存在的误差值，进行二次补偿与修正；东北大学 的崔秀梅【3 4 】针对非接触激光三角测头式三坐标测量系统进行误差分析，采用软件 补偿法对三坐标测量系统的误差进行补偿，分别对三坐标测量系统的各个单项误 差建立误差补偿数学模型，编写误差补偿软件，并验证较好地解决了自由曲面高 速、高精度测量的问题。 针对光源发散角、物面光学反射特性、物面倾斜的影响所造成的测量误差， 国外多采用灰度质心、高斯逼近、线性插值等方法计算光带图像的灰度蜂值坐标 f 3 5 】，但是基于激光光带图像灰度峰值提取的光能中心与光学几何中心之间存在偏 差，这种偏差随激光测头与被测物体之间的相对运动不断变化，最大会造成百微 米级的测量误差【3 5 , 3 6 1 。针对这个问题，中科院的吴剑峰【3 7 】等已经指出l a m b e r t 光 照模型为理想漫反射，实际测量对象大多存在镜面反射，仅考虑漫反射因素不能 完全补偿激光扫描测量误差；天津大学庄葆华【3 0 j 等以激光点扫描为对象、基于 l a m b e r t 定律提出光学三角测量的修正公式； 这种由光能中心与几何中心偏差引起的测量误差，国内外研究人员通常采用 如图1 1 3 所示双c c d 对称布置、互为补偿的方法解决，这种方法比较简单，但没 有揭示测量误差与光平面投影和反射之间的关系，存在以下问题： ( 1 ) c c d 对称安装的要求高，实际安装过程下总是存在误差，很难严格对称； ( 2 ) 两个c c d 需同步采集图像且采集的光学条件相同，但实际测量过程中 受外界光影响，光平面两侧c c d 的光学采集条件很难等同； ( 3 ) 若双c c d 异步采集图像，则采集的光学条件不严格相同，互为补偿效 扬州大学硕十学位论文 邈鬻圈 武杰：激光扫描雕刻系统集成与数据处理 幽1 一1 6 左右c c d 不互补的扫描测量误差 1 4 本文研究内容 1 设计并实现了三维激光扫描测量系统中的雕刻用灰度图生成模块：算法中 利用邻域平均法计算像素点的z 坐标并转换位狄度等级的方法生成了雕刻用灰度 图，针对扫描点云中的数据漏洞缺陷造成的灰度图不能用于数控加工的问题，实 现了相应的漏洞插补算法，使得生成的欢度图完全满足雕刻加工要求；扫描雕刻 集成系统采用基于面向对象的v c + + 程序设计技术，对运动控制卡的运动函数库进 行封装，对外提供一致的函数接口，解决了不同雕刻机厂家运动控制系统不一致 的问题。 2 当| j 仃制约激光线扫描测量技术提升应用水平的瓶颈问题是测量精度不高 ”圳，现有商品化激光扫描设备的测量精度一般为- + 0 0 5 m m l ，考虑被测物面的实 际反射条件以及多视数据的拼台误差- 7 ，测量精度还会下降，分析测量数据误差 产生的原因并给出提高测量数据精度的措施是激光扫描雕刻集成技术在实际应用 巾亟需解决的问题。本文分析了光学投影和光学反射对激光线扫描测量误差的影 响。针对光学投影模型下可能存在的测量误差的情况，分析光平面位置误差对测 量精度的影响，在测量系统中实现光平面投影图像的偏差反馈，然后调整光平面 位置，达到提高测量精度的目的。针对光能中心与光学几何中心偏差引起测量误 差的情况，综合考虑漫反射、镜面反射、散射对光能中心的影响，分析被测物体 表面法矢对图像中心提取的影响，利用正交分解法描述物面法矢与测量误差之间 的关系，对实际测量结果给出合理的误差补偿。 3 分析左右c c d 互补误差的成因和现行互补匹配算法缺陷的基础上，提出了 一种基于邻域分析的从两幅激光中心线图像重构出当前物体i 维深度信息的左右 1 4 扬州大学硕士学位论文 c c d 中心线互补匹配算法，该算法的判定准则基于邻域分析考虑了当前激光扫描 中心线上的左右c c d 的测量状态信息，又记录了前一条测量线上对应数据的左右 c c d 的测量状态信息，并且记录了同一条激光中心线上的5 个相邻数据点的左右 c c d 的测量状态信息，提高了左右c c d 图像中心线互补匹配的精度，然后对左右 c c d 中心线进行光滑处理后互补匹配，较好地解决左或右单一c c d 采集数据与双 c c d 采集数据之间切换的匹配问题。 1 5 本文结构 本文主要研究内容为三维激光线扫描技术和雕刻系统集成方面的研究，分析 了光平面投影模型对激光扫描测量精度的影响、光学反射模型对激光扫描测量精 度的影响、左右c c d 激光中心线互补不匹配的误差修正问题，论文结构如下： 第一章叙述本文的研究背景，分析三维激光扫描技术的国内外研究现状及三 维激光线扫描中的数据精度问题