光学扫描丈量精度影响要素及对策剖析

1 导言

反求工程（或称逆向工程）是一门发展迅速的新式技能。什物反求技能被用于依据已有产品什物的产品再规划，或对一些无法用数字化手法直接表述和规划、而只能以什物方法表达的产品模型（如油泥模型）进行数字化转化，以施行对这些产品的数字化规划与制作。例如，在对飞机、导弹等飞行器的外型进行空气动力学规划时，彻底依据试验优化得到的什物模型无法直接用现有的CAD/CAM体系进行建模表述，因而，为了完结这些飞行器的数字化规划与制作，就有必要运用什物反求工程中的点云数据收集技能将什物模型转化为CAD模型。现在，什物反求技能已在新产品规划、产品修补、产品在线检测等方面得到了广泛运用。

在什物反求工程中，为完结目标数字化，有必要运用相应的丈量或扫描设备对产品三维什物模型进行丈量或扫描，以取得什物模型的空间拓扑离散点数据点云。因而，点云数据收集是什物反求时首要有必要完结的作业。在各种什物丈量技能中，近年来呈现的光学扫描点云数据收集技能具有丈量功率高、数据完好性好、适用规模广、可收集数据规模宽（从数毫米至数十米）等许多长处。

近年来，国内不少高校和科研院所对什物反求技能进行了很多研讨和开发，并在一些要害技能上有所突破。通过自主开发和技能合作，国内涵触摸式丈量技能及设备的开发与运用上已日趋老练。但关于非触摸丈量的光学扫描点云数据收集技能，现在还很少见到有国内研制开发的老练产品及其在轿车、模具等职业成功运用的揭露报导。为促进对光学扫描点云数据收集及处理技能的研讨与开发，并供给对外技能服务，我校引进了国外某公司出产的活动式光学扫描设备。在设备运用进程中，经常因操作失误、调整不妥等原因构成丈量差错过大的问题。为了透彻消化国外引进技能，笔者结合作业实践对此进行了研讨和剖析，并提出了相应的解决方案。

2 丈量差错首要表现方法

（1）收集数据缺失或数据密度达不到要求。用这种不完好的数据进行点云拟合，差错较大，难以到达要求的丈量精度。
（2）对同一外表的数据收集成果表现为多层点云。这种状况往往呈现于被测目标为大型工件或工件为通明物体时。
（3）单幅收集数据不精确，影响全体丈量精度。
（4）累积差错过大，使丈量成果呈现显着差错。
（5）点云拼接过错，导致较大丈量差错。
（6）丈量成果中粗大点(噪音)数据过多。

3 差错原因剖析及进步精度的对策

笔者结合实践作业经历，通过测验剖析，将发生较大丈量差错的首要原因概括为：标定不妥、标尺运用不妥；测头镜头组合挑选不妥;丈量次序不妥；丈量战略挑选不妥;工件外表标志点安放不妥；丈量进程中操作不妥；工件被测外表预处理不妥；后处理不妥；丈量环境挑选不妥等，现别离剖析如下：

（1）标定不妥、标尺运用不妥

扫描丈量头（测头）由光源、CCD摄像机及相应的镜头组构成。在进行点云数据收集之前，首要需求对测头进行初始化，首要内容包含：

①依据被测目标的巨细、外表特征的多少及其杂乱程度挑选不同的镜头组合；

②依据丈量现场条件、被测目标的外表形状及外表处理状况确认主光源的光强；

③依据体系规范作业流程对所选定的镜头组合进行标定，使标定精度值≤0.020；

假如丈量之前未进行上述作业，而是直接运用曾经标定的测头进行丈量，则或许因镜头组合、光源光强、标定精度不契合本次丈量要求而无法确保丈量精度，导致发生较大差错。

在丈量中，假如因操作失误而使测头受到冲击、磕碰，应及时对测头进行查看，如已发生损坏，要进行修补；如未发生损坏，也有必要对测头进行从头标定；即便丈量中未发生任何操作失误，但假如丈量时刻较长，也需守时对测头进行快速标定，查看测头的精度状况。

标尺是对大型工件进行数据收集时运用数码像机对整个工件上的标识点进行定位的必备东西，所运用标尺上的规范尺度应与实践运用相片进行处理时所显现的尺度数值一起。

（2）测头镜头组合挑选不妥

收集大型工件外表点云数据时，应选用丈量规模较大的镜头组合，以完结全体数据的快速收集；关于其间部分特征较多、较小的区域，则最好选用丈量规模较小的镜头组合再进行部分小特征的杰出丈量，以取得较好的丈量效果。

关于大型工件，如挑选丈量规模较小的镜头组合进行丈量，则要求工件外表有较多用于点云拼接的标识点，这就会延伸工件预处理时刻，加大丈量时刻跨度，因环境温度随时刻改变引起的差错就会反映到丈量成果中，且会影响整个丈量功率。假如用数码像机对整个工件上的标识点进行定位，丈量时主动进行拼接，则因标识点数较多、呈现标识点之间联系相同的概率变大，简单发生拼接过错；假如不用数码相机对整个工件上的标识点进行定位，相邻单幅点云之间运用一起标识点进行拼接，则因为拼接次数较多，也会发生拼接累积差错过大的现象。

反之，关于小型工件，假如挑选丈量规模较大的镜头组合进行丈量，则无法精确反映工件上的小特征，使丈量成果达不到要求的精度，需求从头替换适宜的镜头组合，从头进行标定和丈量。

（3）丈量次序不妥

丈量次序是指丈量时相邻单幅丈量成果间的叠加次序。以丈量一个细长工件为例，图中1,2,3,4,5所示矩形区域为当时标定测头的丈量规模。当按图所示发射状摆放方法丈量工件时，首要丈量工件中心方位，完结中心第1幅的丈量后，再丈量第2幅，然后运用三个一起的标志点将第2幅与第1幅进行拼合，此刻会发生一个拼接差错。相同，第3幅与第2幅之间进行拼合时，也会发生一个拼接差错。假定一切的拼接差错巨细相同，则1,2,3之间发生的累积差错为28，1,4,5之间发生的累积差错也为28。丈量成果显现，1,2,3之间的累积差错与1,4,5之间的累积差错并不构成叠加联系，因而总的累积差错仍为28。如按图2所示的次序摆放方法丈量工件，则最大累积差错为48。因而，丈量时应尽或许选用“以中心为基准，发射状摆放”的丈量次序，以减小累积差错。

（4）丈量战略挑选不妥

丈量时，应将被测工件按大型工件、中型工件、小尺度多特征工件、内腔工件等进行分类，关于每类工件应相应采纳不同的丈量战略。

丈量大型工件时，可首要用数码像机对标识点进行全体定位，然后挑选一个单幅丈量规模较大的镜头组合进行丈量；如工件尺度过大，可分两次进行丈量，然后运用一起的参考点进行拼合；如大尺度工件中存在较多的部分小特征，则可在丈量根本完结后，再选用一组丈量规模较小的镜头组合进行部分丈量。为便于小规模丈量的主动拼合，对该部分进行预处理时应添加参考点的密度。

丈量中、小型工件时，应留意选用正确的丈量次序，以削减累积差错。实践上，对中、小型工件也能够选用对大尺度工件的丈量战略，但有必要装备用于对参考点进行全体定位的数码像机及相关软件。

丈量工件内腔外表时，为战胜光学扫描丈量设备的景深约束，可采纳一些技能手法将内腔丈量转化为外型丈量，如可将硅胶注人工件内腔中，待其凝结后取出，对其外型进行丈量。

（5）工件外表标志点安放不妥

不管是大型工件仍是中、小型工件的丈量，都会遇到工件外表标志点的安放问题。

大型工件的数据收集一般需求运用标尺和数码像机，丈量可分两步进行:第一步，运用大的数码点对用于单幅丈量点云拼合的标志点进行全体结构，为确保通过正常运算取得单幅丈量用的标志点点云，有必要遵从图1所示的摆放规矩；第二步，以标志点点云作为参考系，体系会将测得的每个单幅点云中的标志点与已有参考点云中的标志点进行比较，如二者契合，则主动进行拼合，两个相邻单幅点云之间不用再有堆叠部分。也可进行丈量，但条件是每个单幅点云都有必要包含至少三个标志点，此刻需对被测区域恰当张贴标志点，不然会构成丈量困难或使丈量精度下降。

中型工件的标志点张贴与大型工件有所不同，因为相邻两幅点云的主动(或手艺)拼合需求依据相邻单幅点云的一起标志点来完结，因而中型工件的标志点张贴密度应大于大型工件，不然难以完结相邻两幅点云的拼合。

因为小型工件标志点的安放会不同程度地掩盖工件上的特征，因而工件外表应尽量少贴或不贴标志点，以取得较完好的扫描数据。

此外，一般应将标志点张贴在工件上较平坦的方位，以减小对标志点处点云补缺的难度及相应的丈量差错。

（6）丈量进程中操作不妥

在丈量进程中，应留意以下操作关键：

①调整测头方位，使被测部位一起坐落两个测头的丈量规模之内；

②调整主光源的光强，别离调整标识点和工件外表的明晰度，使丈量部位的标识点及工件外表到达最明晰程度；

③丈量进程中应尽量防止对测头的冲击或磕碰。如不小心发生这种状况，应及时对测头进行查看和从头标定，以坚持后续丈量的精度，不然，丈量成果会显现丈量部件数据缺失，乃至使丈量彻底无法继续进行。

（7）工件被测外表预处理不妥

开端丈量前，需求对工件外表进行恰当的预处理。假如工件形状非常简略，且工件尺度较小，通过单幅丈量即可完结数据收集，则只需使工件外表能在主光源照射下构成漫反射即可。但通常状况下，仅仅通过单幅扫描丈量很难完结对一个完好工件的数据收集，且一般的工件外表在主光源照射下也很难构成契合丈量要求的漫反射，因而有必要在工件外表预设一些参考点，运用一起的参考点对各次丈量成果进行拼合，并用着色剂对工件外表进行均匀喷涂处理，使工件外表构成较抱负的漫反射。

被测工件外表预处理不妥首要指：①工件外表某些部位反光过强或吸光过多，不能构成合适扫描要求的漫反射，导致无法构成有用的点云，丈量成果显现该部位数据缺失；②短少满足的参考点，导致无法进行拼合，即便能构成点云，也仅仅涣散点云而不是全体点云；③工件外表参考点的张贴一起性太强，短少特色，使体系无法有用辨认单幅点云的拼合方位，然后简单发生拼合过错，难以构成被测工件的全体点云。

工件被测外表预处理不妥还包含未对工件外表不能正确反映规划目的的部分进行批改、工件外表在丈量中被碰伤而未及时修正、工件安放状况不妥(如工件受力)等非丈量要素。此外，在对工件内腔(如发动机气道)进行硅胶打针以构成模型时，打针量缺乏或硅胶中气泡过多也会使构成的模型不能正确反映工件内腔实践形状。

（8）后处理不妥

在光学扫描丈量中，并非丈量所得数据即为点云数据，丈量的进程实践上是构成工件印象的进程，要取得点云数据，还需运用ATOS体系对构成的印象数据进行后处理。关于用单幅点云进行拼合生成的成果，首要需求运用几个一起的标识点将一切的单幅数据对齐，以削减累积差错;然后运用对齐后的点云进行重运算，将印象数据转化为点云数据。此刻的点云数据或许还存在密度不均匀、粗大差错点多等问题，可再通过三角网格化处理(Polygonize)，终究取得质量较好的点云数据。

当然，后处理不仅仅包含上述内容。在实践丈量中，扫描取得的数据点并不一定只局限于所测什物模型，一些不属于该模型的、丈量环境中的随机点也被一起测人，因而在进行后处理时有必要去除这些不需求的点，以减小这以后在依据点云数据进行三维CAD模型结构时发生过错的或许性。

此外，后处理还包含对点云的简化处理。在一个什物反求点云中，对工件各个部位的精度要求并非彻底相同，因而，对一些不太重要的部位可作降低点云密度的简化处理；对一些比较重要的部位则可进步其点云密度。这样不仅能确保三维模型结构的精度要求，并且可大大进步建模功率。

当然，后处理不仅仅包含上述内容。在实践丈量中，扫描取得的数据点并不一定只局限于所测什物模型，一些不属于该模型的、丈量环境中的随机点也被一起测人，因而在进行后处理时有必要去除这些不需求的点，以减小这以后在依据点云数据进行三维CAD模型结构时发生过错的或许性。

此外，后处理还包含对点云的简化处理。在一个什物反求点云中，对工件各个部位的精度要求并非彻底相同，因而，对一些不太重要的部位可作降低点云密度的简化处理；对一些比较重要的部位则可进步其点云密度。这样不仅能确保三维模型结构的精度要求，并且可大大进步建模功率。

4 结语

近年来，什物反求技能在新产品规划、产品改型规划、模具制作等方面正发挥着越来越重要的效果，在轿车制作、航空航天、机床东西、国防军工、电子、模具等范畴的运用日趋广泛。但现在国内对相关技能的研讨还比较滞后，相关的技能装备还首要依靠进口。因而，研讨和开发具有我国自主知识产权的什物反求技能及设备，并赶快完结商品化运用，是该范畴的燃眉之急。本文对光学扫描点云数据收集体系实践运用中的精度影响要素进行了剖析，并提出了相应对策，期望能对进步相关丈量设备的运用水平有所协助，一起也可为什物反求技能的研讨供给一些可资学习的实践经历，促进我国反求工程技能开发、运用水平的不断进步。(end)