大型复杂零件的三维扫描测量精度研究

孙翀翔

摘要：随着科技的不断发展，三维数字化技术逐渐趋于成熟，非接触式三维扫描技术在工业造型的设计中被应用的越来越广泛，由于利用这种测量技术采集出的数据往往分布的十分密集，因此通常将其称为“点云”。其可以将事物的立体信息进行获取后转换为数字信号，这样通过计算机就可以直接进行处理，这样一来将实物向数字化转化就会更加快捷。本文主要将非接触式三维扫描系统如何进行精确扫描，如何更快速、更高效、更高精度的应用于各种数字化应用需求进行介绍。

关键词：测量精度;大型复杂零件;三维扫描;测量

三维扫描技术作为一种高新技术，是集电、光、机以及计算机等各领域技术于一体的，始于上世纪十九年代中期，在测绘技术领域是一项的新突破[1] 。其主要工作原理为对实物的色彩、结构以及空间外形进行三维激光扫描，以此来获得事物表面的空间坐标数据。采用非接触式三维扫描仪可以直接对很多具有复杂曲面的事物进行扫描研究，传统的扫描过程中，非常容易由于测量误差、仪器误差以及所测物体自身误差等误差而导致最终测量的结果不准确，一旦测量结果出现误差，就会导致制造出的工件尺寸不准确，影响最终的装配。本文将着手于分析如何分析误差并提高误差测量的精确度，使三维扫描技术可以向更加低成本、高可操作性以及高精度的方向发展。

一、非接触式三维扫描系统的组成

（一）系统组成结构

在曲面扫描技术中，非接触式三维扫描是其中一个非常重要的分支，其具有明显的无需接触实物测量以及检测速度快等优势，如今在逆向工程、机械物体扫描以及虚拟现实等方面都被广泛的认可及应用。三维扫描仪的主要硬件包括：光源、三脚架、标定板、工业相机、云台。本文主要以非接触式三维扫描仪为例，其主要组成部分包括PC机一台、光源（即投影仪）1个、工业相机1个、标定板1个。

（二）测量原理

三维扫描测量所用原理为光学三角形法，指的是：在被测物体表面上通过具有规则几何形状的激光源进行投影，投影后最终会形成漫反射图像，而图像会在安装的传感器上直接进行成像，根据三角形的原理就可以测出被测物体中被测点的空间坐标[2] 。

（三）三维扫描的具体流程

三维扫描的具体工作流程为：将投影仪向被测物体投射光源，这时工业相机经过内外参数的设置就可以对其进行连续拍摄，然后再将拍摄过的图片直接传输给PC机，PC机接收到这些点云数据之后会直接将格式进行转换并保存。

二、影响测量精度的因素

在采用三维扫描技术进行测量时，影响最终测量精度的因素很多，但总体可分为软件以及硬件两个方面[3] 。在软件方面的影响因素主要有：激光扫描线中心提取的准确度、光学成像的参数的准确度、物象对应关系标定的准确度、被测物面表面的特征情况、以及光平面位置等因素。在硬件方面的影响因素主要有：激光器、CCD摄像机、机械动力平台等，但是如果要从硬件方面着手提高测量结果的精确度，一般来说都会导致成本的增加。

由于扫描后得到的点云数据需要通过模型重构或者数据处理等操作，因此这一过程很容易为最终实物的CAD模型带来一定的误差，其中误差主要来源于以下几个方面：

（一）点云数据精简过程影响数据精度

由于利用非接触式三维扫描技术进行扫描时，其测量出的数据点云数量非常庞大，如果将所有的数据点云直接构建曲面，如此庞大的工作量不仅会严重消耗计算机资源，还会严重影响最终的数据处理进度，一般来说会对数据进行精简处理。但这一过程很可能造成损失部分精度数据，因此精简数据时要严格控制数据量，一般规定精简的数据不超过原数据的50%。

（二）点云数据对齐过程影响数据精度

由于扫描时一般都需要扫描多个视图，最终将所有视图的数据进行对齐，因此在通过专业软件对数据进行对齐时，很可能由于缺乏足够的对齐信息而造成一定的误差。因此要求在扫描过程中一定要有足够的重合数据，这样才可以在软件进行对齐操作时提供足够的对齐数据[4] 。但这并不意味着对齐所用的定标点越多越好，通常情况下只要可以保证数据的重合部分有三个定标点就可以，因为三点即可确定一个平面。

（三）拟合曲面或曲线过程影响数据精度

由于所有的点云数据需要拟合成各种曲线或者曲面，因此这一过程中比较容易出现有不同程度的误差，这时需要工作人员对拟合元素的误差进行实时监测，以此将拟合过程中造成的误差控制在允许范围内。

三、三维扫描系统造成误差的原因及对策

在扫描的过程中，由于原理性误差、扫描操作人员人为引起的误差、扫描设备设置的误差、以及各种不确定因素都可能引起数据出现误差。其中原理性误差指的是：扫描设备本身的测量方法可能就存在一定的局限性，比如像光学的非接触式测量这种测量方式就很难达到高精度的测量水平。人为误差指的是：由于操作人员的经验不足，导致操作过程出现失误而引起的误差。扫描设备误差指的是：由于设备本身也有其制造精度，而且有时机器长时间使用，某些零部件可能会出现老化或者破损等情况，这也会导致误差的出现。其他不确定因素指的是：扫描数据的精度其实还受周边环境的影响，而这也是造成扫描数据出现误差的一个主要原因。针对误差形成的不同情况，采取以下措施可以尽量减少误差的出现：

测量时为了尽量避免当时的环境光线出现变化可以采用白光进行测量，但是有些测量仪则建议在光线较暗的环境下测量比较好。

如果对反光比较强的金属性模型进行检测，可以在金属表面喷适当的显影剂，这样就可以有效减少金属表面的反光[5] 。

检测过程中尽量避免区域内有人员走动，有些扫描仪为手持型扫描仪，因此对操作者的综合素质以及扫描技术要求较高，如果在扫描过程中出现了不合理的移动或者手部出现抖动，都会影响测量的最终数据。因此测量时要尽量避免大幅度的移动，如果一定要移动则需要缓慢匀速的移动。

结语

综上所述，现如今，三维掃描技术越来越趋于成熟，其不仅操作非常灵活，而且可运用的领域非常广，测量出的数据精度也非常高。目前，三维扫描系统已经在摩托车、汽车、建筑、家电等各行各业中都获得了高度认可及应用，由于三维扫描技术可以将事物的立体信息进行获取后转换为数字信号，这样通过计算机就可以直接进行处理，这样一来将实物向数字化转化就会更加快捷。本文通过介绍扫描仪的原理及造成误差的原因，对如何将大型复杂零件的测量精度进行改善作出了分析。

参考文献：

[1] 宿康乐.关于大型复杂零件的三维扫描测量精度研究[J].科学与信息化，2019，（5）：99.

[2] 郑鹏，韩雨萌.大型复杂零件的三维扫描测量精度研究[J].电大理工，2016，（3）：15-17.

[3] 冯周舟，吴煜斌，牟云英，等.基于三维激光扫描技术的大型部件测量精度研究[J].电子世界，2019，（10）：21-23.

[4] 马宁，姚吉利，贾象阳，等.三维激光扫描测量精度评定的讨论[J].测绘与空间地理信息，2015，38（11）：120-122，128.

[5] 杨丹，隋心.恶劣环境下GPS-RTK实际定位精度测试[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2014，16（03）：23-27.

（作者单位：辽宁省交通高等专科学校）