三维扫描技术的应用与发展

1三维扫描技术在生产中的应用与发展2随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速发展，并在各类生产中得到了越来越广泛的应用，先后出现了数控系统、柔性制造系统、计算机辅助设计\制造、计算机集成制造系统等先进制造技术，以及制造资源规划、精益生产、敏捷制造、可重组技术等先进制造模式，制造业正在经历一场新的技术革命。三维扫描技术作为生产制造中的一项重要技术支撑，起着不可或缺的作用，并逐渐形成一门新的科学。一、三维扫描仪的产生背景3我们在日常生活中随时都会接触到各种实体，而利用一般的技术手段如照相机、平面扫描仪等获得都是物体的二维信息。但在诸多领域如产品设计、工业检测、实物仿形、生物医学等仅仅用物体的二维信息是满足不了要求的，因此如何获得物体的三维数据并将其转化为计算机可以直接处理的三维模型是关键，而三维扫描技术的出现使得这一问题迎刃而解。三维扫描仪就是针对三维信息领域的发展而研制开发的计算机输入信息的前端设备。只需对任意实际物体进行扫描，就能在电脑上得到实物的三维图像和物体真实的色彩。4二、概念三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，通过测量空间物体表面点的三维坐标值，得到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接处理的三维模型，又称为“实景复制技术”。三维扫描技术是集光、机、电和计算机于一体的一项高新技术。该技术作为获取空间数据的有效手段，能够快速的获取反映客观事物实时、动态变化、真实形态特性的信息。在国内外诸多领域得到广泛的应用，显示了巨大的技术先进性和强大的生命力。5三、三维扫描仪的分类61、三坐标测量机接触式测量又称为机械测量，这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一。三坐标测量机是接触式测量仪中的典型代表，它以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。根据测量传感器的运动方式和触发信号的产生方式的不同，一般将接触式测量方法分为单点触发式和连续扫描式两种。7工作原理：三坐标测量机的测量传感器的主要形式为各种不同直径和形状的探针(或称为接触测头)，当探针沿被测物体表面运动时，被测表面的反作用力使探针发生形变。这种形变触发测量传感器，将测出的信号反馈给测量控制系统，经计算机进行相关的处理得到所测量点的三维坐标。8特点：适用性强、精度高（可达微米级别）；不受物体光照和颜色的限制；适用于没有复杂型腔、外形尺寸较为简单的实体的测量；由于采用接触式测量，可能损伤探头和被测物表面，也不能对软质的物体进行测量，应用范围受到限制；受环境温湿度影响；同时扫描速度受到机械运动的限制，且测量前需要规划测量路径，测量速度慢、效率低；目前还需要人工干预，不可能实现全自动测量；接触测头的扫描路径不可能遍历被测曲面的所有点，它获取的只是关键特征点，因而，它的测量结果往往不能反映整个零件的形状。92、三维激光扫描仪现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速发展，各种各样的新型测量方法不断产生，它们具有非接触、无损伤、高精度、高速度以及易于在计算机控制下实行自动化测量等一系列特点，已经成为现代三维面形测量的重要途径及发展方向。而三维激光扫描仪在非接触式扫描中占据着非常重要的角色。10分类及原理：三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为一维(单点)扫描仪、二维(线列)扫描仪和三维(面列)扫描仪。而按照不同工作原理来分类，可分为脉冲测距法（亦称时间差测量法）和三角测量法。脉冲测距法：激光扫描仪由激光发射体向物体在时间t1发送一束激光，由于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收器会在时间t2接收到反射激光。由光速c，时间t1，t2算出扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c/2。11当用该方式测量近距离物体的时候，就会产生很大误差。所以相位法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合于近景扫描。三角测量法：三角测量法的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD（图像传感器）光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度θ。然后结合己知激光光源与CCD之间的基线长度d，经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距L≈dtanθ。12三角测量法的特点：结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征等因素的影响。三维激光扫描仪的特点：（1）非接触测量即对扫描目标物体无需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据。可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。（2）数据采样率高目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可以达到数千点/秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点/秒。（3）主动发射扫描光源即激光，通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息，因此在扫描过程中，可以不受扫描环境的时空约束进行测量。13（4）高分辨率、高精度三维激光扫描技术可以快速、高精度的获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。（5）数字化采集、兼容性好三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理及输出。能够与其它常用软件进行数据交换及共享，如geomagic、imageware、UG、Catia等。（6）可与外置数码相机、GPS系统配合使用这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，使对信息的获取更加全面、准确。外置数码相机，可增强彩色信息的采集；结合GPS定位系统，可进一步提高测量数据的准确性。143、三维照相式扫描仪在非接触式三维扫描仪中，还有一个很重要的就是三维白光扫描仪，其工作过程类似于照相过程，扫描物体的时候一次性扫描一个测量面，快速，简洁，因此而得名。照相式三维扫描采用的是面光技术，扫描速度非常快，一般在几秒内便可以获取百万多个测量点，基于多视角的测量数据拼接，则可以完成物体360度扫描，是三维扫描和工业设计、工业检测的好助手。扫描实例15三维白光扫描仪工作原理：采用结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的三维非接触式测量方式，测量时光栅（光点）装置投射数幅特定编码的结构光线（点）到待测物体上，成一定夹角的两个(或多个)摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行相位和解码计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个(或多个)工业相机公共视场内物体表面像素点的三维坐标。16三维白光扫描仪的特点：（1）非接触测量采用非接触扫描方式，稳定性高，适用范围广，可以测量外观复杂、柔软或易磨损的物体；（2）精度高单面测量精度可达微米级别；（3）对环境要求较低无需在暗室操作，对人体无辐射危害，工作环境范围广，在露天环境亦可操作；（4）对个别颜色（如黑色）及透明材料有限制，需要喷涂显像剂方能较好的扫描出来。17三维扫描技术的国内外发展现状国外在这方面起步比较早，技术已经比较成熟1994年，M.levoy和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率的色彩图像获取并重建了Michelangelo的主要雕塑品，并提出了一系列的相关技术；1997年，加拿大NRC（NationalResearchCouncil）的El-Hakim构建了自己的硬件平台，他们将激光扫描仪和CCD照相机固定在小车上，得到了一个数据采集和配准系统DCR，并与1998年在原有系统的基础上实现了一个室内场景的三维建模系统；2001年，Y.YU等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实物提取出来，并对物体的三维模型提供了编辑和一定功能；2002年，I.Stamos和P.K.Allen实现了一个完整的系统，该系统能同时获得室外大型建筑的深度图像和彩色图像，并最终会付出建筑物具有照片真实感的三维模型；除此之外，Fruh等人使用2D激光扫描仪、数码照相机并同时借助航空图像和航空激光扫描数据恢复了建筑物屋顶带有色彩的集合模型，得到了更为完整的街区三维模型。18国内对于三维激光扫描重建技术的研究齐步比较晚，但是也在部分领域取得一定的成果。自2000年起至今，北京大学的三维视觉与机器人实验室使用具有不同扫描特性的激光扫描仪、全方位摄像系统与高分辨率照相机完成了建模对象几何与纹理的采集并通过这些数据的配准与无缝拼接完成了三维物体模型的建立；2005年，首都师范大学三维空间信息获取与地学应用教育部重点实验室给出了一种基于激光扫描数据的室外场景表面重建方法，该方法可以完成建筑物单一表面的重建。目前国内外对于三维激光扫描技术的研究均受到复杂场景的几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件、复杂的地形以及不规则的未知遮挡物等限制，因此如何快速而又精确的扫描出复杂的三维物体仍是研究该技术的关键。19四、应用三维扫描仪的流程利用相关软件如Geomagic,Imageware,Rapidform等对点云数据进行预处理测量方案制定、获取点云数据产品/原型测量规划测量数据模型分析建模方案制定数据预处理20数据分块特征约束重建平面、二次曲面、Beiser曲面、NURBS曲面数字化模型STL模型新产品数字化模型重构RP快速原型CAE/CAM/CNC新产品/新原型利用软件进行曲面重构，得到更精确的实模型体，为产品的快速原型制造或快速开发做好准备。曲面重构几何约束创新设计21五、三维激光扫描仪的应用三维激光扫描技术的应用面非常宽广。在诸多领域如：逆向工程、数据可视化、计算机辅助设计、虚拟现实环境、数字文物、数字博物馆、数字考古、地形勘测、犯罪现场检测、数字城市、城市规划、数字娱乐(游戏、动画、电影)等，均有广泛的应用。22（1）逆向工程（ReverseEngineering）逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。比如，现在需要快速而精确的复制一个机械零件。首先通过三维激光扫描，获取其表面点云的三维数据信息，并由此信息在计算机中建立该物体的三维几何模型，并对该模型进行修正改进，进而开发出同类产品。当需要对零件设计进行修改的时候，只需对计算机中已经建立的三维模型进行修改，就可以获得同样的效果，大大提高了工作效率，缩短了工期。应用范围：量化实景对象、三维信息采集、逆向三维重构、逆向三维建模、空间数据反求、对象逆程设计、预研仿研仿制、虚拟现实应用、正向工程反证、逆向工程实施、概念设计仿真、逆向制图还原、结构特性分析、试验工程仿真、后数据测量、目标形变监测、电脑模拟实战、环境适应仿真、工程力学分析、对抗模拟推演、企业无纸操作、虚拟设计制造、科目效果测试、整合三维资源、创建三维流程、工装工艺规划、改进改造工程、历史资源修复、任务方案优化、对象加载仿真、设施维护维修等。23（2）测绘、检测技术20世纪90年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘、检测领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。外景测绘2425（3）VRMLVRML是虚拟现实造型语言（VirtualRealityModelingLanguage）的简称，本质上是一种面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的VR（虚拟世界）。现在流行于Internet的VRML技术如果没有足够的三维彩色模型，也只能是无米之炊，而三维扫描技术可提供这些系统所需要的大量的、与现实世界完全一致的三维模型数据。销售商可以利用三维扫描仪和VRML技术，将商品的三维彩色模型放在网页上，使顾客通过网络对商品进行直观的、交互式的浏览。想象一下，随着技术的发展，未来的在网络上挑选衣服的时候，用户可以下载商品的三维模型