基于3D扫描的误差影响因素＊

周淑容，郑 浩

（四川职业技术学院，四川遂宁 629000）

1 引言

在零件的测绘过程中，异型件、曲面件逐渐增加，传统的测绘方式很难满足现在的需求[1]，在这种背景下，更加先进的检测方法应运而生。而在这些先进检测方法中，基于3D的检测方法应用非常广泛，它广泛应用在汽车、飞机等复杂冲压零件的检测之中，因为这些零件形状复杂，成形精度难以控制，对其整体形面进行完整的三维测量和精度分析，可为成形工艺优化提供基础的测量数据，对提高复杂零件的成形精度具有至关重要的作用[2]。该检测方法是用三维扫描，将零件外形扫描出来，再导入专业的数据处理软件与原来的数字模型做对比，从而检测出其成形精度。而在这个处理过程中，三维扫描的精度非常关键，它直接影响了后面的检测精度。所以对影响扫描精度的因素做分析，找出纠正措施是3D检测的一个非常重要的工作。本文将主要讨论在三维扫描过程中，引起扫描误差的因素。

2 三维扫描基本情况介绍

2.1 扫描仪分类及应用范围

目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法有很多，其中应用比较广泛的是数字检测手段。根据测量探头是否和零件表面接触，该测量方式可以分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量系统的典型代表是三坐标测量机，非接触式测量主要包括各种基于光学的测量系统等[3]。常见的白光扫描，蓝光扫描，等光栅扫描仪和点激光、线激光、面激光扫描仪等激光扫描仪均属于非接触扫描仪范畴。而本文探讨的主要是非接触式测量，即通常说的基于3D的三维扫描方式，其检测所得数据可用于物体的三维重建（3D reconstruction）。三维重建是获取真实场景表面形状的过程，被广泛应用于交通运输、工业制造和国防等领域中[4～6]。当然，不同技术构建而成的三维扫描仪有不同的应用范围，比如由于激光具有强穿透性，所以激光三维扫描仪不适用于表面脆弱、易发生某种变化的物体，其主要应用在在交通事故处理、土木工程、室内设计、数字城市、建筑监测、灾害评估、军事分析等诸多方面。而光学技术却较难处理闪亮的物体，所以表面为镜面的物体，光栅三维扫描仪就不适用，光学扫描仪在工业设计行业得到相当广泛的应用，比如模具零件的检测通常采用光学扫描仪中的拍照式扫描。

2.2 非接触式三维扫描仪优缺点

该扫描方式具有高精度，高效率、数字化速度快，整个测量过程时间短，收集的数据密度大，无需过多的数据收集预先规划，不破坏数字化对象，可以对柔软或易碎对象进行测量。虽然说该种方式优点很多，但也存在一些缺陷，比如要实现高反射光或发散光的工件表面进行测量，需要使用显影剂；零件的内部或者是零件上被遮挡的部分没法被测量；测量后所得到的大量的离散几何数据在许多的CAD软件中不能处理，只有导入专业的软件才能处理；更重要的是，该种测量方式由于测量系统本身或者是操作者等因素，导致测量精度受到影响。而这也是目前制约三维扫描发展的的一个重要因素，亟待解决。

3 影响三维扫描精度的因素分析

3.1 物体自身的因素

工作中，待测物体的表面光滑度，颜色以及材料的组成等都会影响测量结果[7]。物体的表面越光滑，颜色越深等条件都会影响扫描精度[8·]。对于光滑反光的物体，要喷上显影剂，这样成像精度才会提高。如图1、图2所示，在物体未喷显影剂之前，在相同的扫描参数设定情况下（图1为标志点标记完成，图2为正在扫描的过程），扫描效果很差，几乎不能成像，扫描结果如图3所示，当喷上显影剂后扫描结果如图4所示。从该比较可以看出，对于光滑反光的物体如果不喷上显影剂，将会影响扫描效果。

图2 正在扫描的零件

图3 未喷显影剂的扫描结果

图4 喷显影剂后的扫描结果

3.2 标定的因素

在物体标定过程中，如果标定点的位置贴得不正确，也会导致扫描精度出现一定的问题。在标定点贴的过程中，标定点不能贴得太近太规范，比如全部排成一条线，或者一个圆等规则图形，这样的贴法会导致最后的扫描结果不理想，导致扫描精度受到影响，如图5所示，在零件上不同部位因为贴标记点的方法不同，扫描的结果就不一样。前部分（见图5A处）贴的标记点间隔很近，而且成一条直线，最后导致扫描效果很差，零件的后部分（见图5B处）贴的标记点间隔合理，而且不完全成一条直线，在相同的扫描环境下，扫描结果优于标记点成一条直线的。另外，在物体两个面的联结处，需要贴标定点，有利于在零件的扫描过程中光滑过渡，否则会造成图片之间没有联结点，使扫描结果产生异常，降低扫描精度[9～10]。

图5 标记点贴成一条直线与不成直线的区别

3.3 扫描方法

在扫描过程中，在没有自动转塔的情况下，当用手移动物体时，一定要按着一定的顺序依次移动。而且，在第一次扫描和第二次扫描的转换过程中，一定要有3个以上共同的联结点，否则扫描图形将会因为没有共同的坐标而出现多视错误。如图6所示，在扫描过程中，无序转动零件导致扫描结果异常。

图6 有序转动

而图7中的结果表明，有序转动时，扫描结果完整。

图7 有序转动

3.4 扫描环境影响

在扫描过程中，扫描环境对扫描精度也有影响。比如光线、温度、湿度、浮尘、曝光率、震动等都对扫描精度有影响。光线太强，温度太高等都不利于扫描结果的完成。如果扫描环境有震动的情况，需要对扫描仪进行重新标定。

3.5 仪器本身误差

在非接触式测量方法中，结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法，在工业界得到广泛应用。但即使是最成熟的测量方法，仪器本身也存在对物体的表面粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，存在由于遮挡造成的阴影效应，对突变的台阶和深孔结构等都容易产生扫描数据丢失。当然，这只是仪器本身影响扫描精度的一个方面，还有很多其他方面，比如，对于表面突变的物体，由于仪器扫描时在陡峭面往往发生相位突变，使测量精度大大降低等。另外，在仪器的标定过程中，如果由于操作者经验不丰富，导致扫描角度没有调好，都会影响测量误差。

3.6 数据处理误差

当数据扫描完成后，还需要导入专业数据处理软件进行数据处理。在数据处理过程中，要降低噪声处理，孤立点处理，非连接项处理、全局注册等，这些处理都会丢失部分点云数据，或多或少都会影响测量精度。如图8所示，即在点云处理过程中，在非连接项处理时，图8中C处本为零件部分点云，但由于在扫描时没处理好，导致扫描不完整，此时将被作为非连接项被软件删除掉，这样就会导致零件的扫描结果不准确。另外像冲压零件的一些比较尖锐的边角，如果操作者在陵角处理，或者锐边倒钝时处理方式不合理，就会让本来尖锐的地方变得圆滑，从而导致扫描结果失真。或者由于贴标记点位置在点云数据中是不完整的，转变为三角面片后是一个个的小洞，在补洞的过程中，如果操作者不熟练，也会导致补孔的数据与原来模型差别较大。

图8 点云处理过程

4 减少扫描误差的措施

在使用三维扫描仪进行扫描过程中，为避免引起扫描误差因素的出现，扫描过程中，应做好以下几点工作：

（1）首先，要调整好仪器设备，比如扫描角度等，特别是标定时一定要达到仪器设备要求的标定精度，否则扫描精度一定会不好。

（2）其次，要营造一个良好的扫描环境，选择合适的光线和温度和湿度，在没有震动的情况下进行扫描。

（3）对于容易变形的物体，尽量不要移动物体，可以考虑移动扫描仪来进行测量。

（4）在标定时，标定点不要贴成一条直线等太规则的形状，而且在两联结面处需要贴标定点，用于扫描过渡。

（5）当零件需要喷显影剂时，显影剂的位置要稍微离物体远一些，这样喷出显影剂的厚度才均匀。

（6）在软件处理点云数据时，要选择合适的点云导入百分比，特别在处理非联结项时，如果扫描数据丢失过多，则导致扫描结果严重失真。

5 结论

综上所述，三维激光扫描的应用非常广泛，要想获得比较精确的测量数据，必须要尽可能的减少在扫描过程中影响扫描精度的因素，从而获得良好的扫描效果，进而获得良好的检测效果。