3D立体扫描演示装置

朱石明

選题来源

如今，越来越多的3D初创公司试图挤进当前尚小但是却在不断扩展的增材制造（即3D打印）领域，但3D实物扫描设备的昂贵价格却让人望而却步。在创客教学的课堂上，也需要一个3D扫描的演示装置，让学生更好地领会3D扫描原理。

主要创新

令巧妙利用一字形激光器及与其互成一定角度的摄像头构成测距装置，获得被扫描物体表面的深度信息。

令研究和理解3D扫描仪的功能，并作出适合自己的修改，共同探究以帮助改善其性能并扩展其功能。

令3D立体扫描演示装置采用透明的、纯白色有机玻璃制造，能让学生更好地领会3D扫描原理。

方案构思

3D扫描仪是一种将物体的三维图像信息输入电脑的设备，这种设备相当复杂，并且非常昂贵。目前市面上单点的激光测距仪已经比较常见，并且价格也相对低廉。但是它只能测量目标上特定点的距离。当然，如果被扫描对象安装在1个旋转平台上，旋转被扫描对象1周，单点激光测距仪就变成了2D激光雷达。2D激光雷达使用单束点状激光进行扫描，因此只能采集1个截面的距离信息。如果要测量3D的数据，还需要使用如下2种方式进行扩充：①采用线状激光光源；②使用1个2D激光雷达扫描，同时在另一个轴进行旋转，从而扫描出3D信息。

第1种方式扫描速度可以很快，精度也比较高。但缺点是由于激光变成了1条线段，其亮度（强度）将随着距离大幅衰减，因此测距范围很有限。对于近距离（

3D激光扫描的原理

本课题采用了线状激光器1次对1条线而非目标物体的1个单点进行扫描测距。将线状激光器围绕目标物体进行旋转，从而实现3D扫描。

线状激光器测距的问题可以转化为单点激光测距的计算问题。对于线状激光器产生的激光线条，算法将按照y轴依次计算出当前y轴高度下，激光光斑的x坐标值px。

要从摄像头画面中计算出光点的坐标信息，需要识别并确定激光光点，排除干扰，确定光点中心的精确位置。

简单地讲，可以认为激光光点的亮度是1个二维的Gauss函数在画面上经过了一次采样得到的。那么，可以通过拟合或者简单的线性插值/求质心的手段，估计出光点的中心。

对于线状激光器的求解过程与点状激光类似，区别在于此时将按照图像的每行（或者每列）分别找出激光光斑的中心。

元器件的选择与提升

对于激光器的选择，主要是考虑其发射波长和功率。由于我的制作不用像现有产品那样考虑激光器功率安全问题，因此，采用了200mW的红外一字线激光器（图1）。较大功率的优势是可以通过缩短摄像机曝光速率过滤掉环境杂光的干扰，同时也可以扫描较远的距离。作品整体外观见图2。

实验测试与研究

验证激光测距原理。准备2张打印纸，将这2张纸粘贴在2个纸板或硬纸壳上，以90°垂直方式，放置在角落里。在正面安装网络摄像头，并按照指定的壳度和对比度进行调试。之后，借助计算机程序输入图像，移动激光照明灯，扫描物体。

工作室一角的扫描效果，见图3。

扫描一个小小的我，见图4。

性能与成本

本文介绍的低成本3D激光扫描仪具有如下性能：

全自动扫描拼接，黑色或柔软物体等也可扫描；

点云数据整体分辨精度超过0.05，细节纹路清晰；

具备完整的软件界面系统，包括校准平台、工作平台、扫描平台等。

计算机操作系统：WindowsXP、Windows7、Windows8

扫描方式：非接触式面扫描

相机：300万像素工业相机

视频镜头：300万像素工业镜头

工作范围：200mm×200mm×225mm

扫描精度：0.03mm

扫描速度：单次0.5?1.2s

扫描耗时：10?120min

外形尺寸：350mm×500mm×240mm

扫描距离：125?750mm

整机重量：3kg

制作成本：主控板、激光器件、步进电机、亚克力板材等，合计约1050元

该项目获得第31届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科技发明类一等奖。

专家评语

该项目研究一种3D立体扫描演示装置。利用一字形激光器及与其互成一定角度的摄像头构成测距装置，获得扫描物体表面的深度信息，实现3D扫描原理的演示。技术方案合理，有较好的创新性、很好的实用性和推广价值。