基于手持式激光掃描技術構建三維支座模型

陳嬋娟CHEN Chan-juan

（郴州職業技術學院，郴州423000）

0 引言

三維實體的數字化是近年來發展起來的一種快速自動化成型技術，它是實物仿形技術的基礎。而要進行快速成型技術就要獲得三維形體信息數據，要么用CAD設計產品，要么用三維數字掃描儀復制產品（如圖1）。三維激光測量技術不但可以量取被測對象的長寬高，實現無接觸掃描，還能夠把掃描到的信息及時的轉換成計算機能夠處理的數據，具有四個優點：一是獲取數據速度快，實時性強；二是數據量大，且精度高；三是主動性強，支持全天候工作；四是全數字化，信息傳輸、加工、表達容易。

圖1 反求工程工藝流程圖

通過三維激光掃描系統能夠快速獲取區域的三維空間信息，進行三維模型重建，是三維空間數據獲取的一種重要技術。本文以REVscanTM手持激光掃描儀為例，結合三維激光掃描儀的工作原理，分析和研究從三維數據獲取到三維建模的整個流程。

1 手持式激光掃描原理

手持式激光掃描儀的工作原理是激光三角測距法，簡單的說就是將一激光線結構光投射到三維物面上，利用CCD攝取物面上的二維變形線圖像，即獲取三維點云數據和三維輪廓圖像。手持式激光掃描系統包括數據采集系統和數據處理系統。數據采集系統一套VXscan數據處理軟件，主要包括一套手持式自定位掃描儀REVscan，如圖2所示。

該掃描儀的下端小圓孔為十字激光發射口，激光從該孔中發射；中間紅色按鈕是觸發器，按住此按鈕系統開始接受數據；上端兩個大圓孔是CCD鏡頭，接收反射回來的激光；每一個CCD鏡頭的周圍是四個LED發光點，用于屏蔽周圍環境光對掃描精度的影響；啟動VXscan軟件，并處于接受數據狀態。按住觸發器，激光發射孔發射十字激光，LED發射紅色屏蔽光。至少有3個定位點在系統的識別范圍之內，系統才開始接收數據。激光從發射孔發出，由CCD鏡頭接收，并在VXscan軟件中以直觀的曲面模型的形式表現出來。REVscan掃描儀的自定位功能可以自動記錄定位點在掃描儀系統的空間位置，可以通過移動、翻轉所測零件以完成對零件的測量。VXscan軟件系統通過保存為*.csf格式進行階段性的測量；輸出為*.stl格式可被大多數后期處理軟件所通用。

圖2 REVscan掃描儀

2 三維掃描系統的工作流程

手持式激光掃描儀掃描儀的掃描流程可簡單概括為：著色—貼標記點—掃描—輸出點云—點云處理—曲面修復—反向建模。將舉出兩個典型的例子來介紹REVscan掃描儀的一些掃描特性和應用技巧。

2.1 三維數據獲取

①貼定位點：這是在掃描之前所要做的一項至關重要的工作。反光點必須以最小20毫米的距離隨機地粘貼于工件表面。如果表面曲率變化較小，距離可以達到100毫米。這些反光點使得系統可以在空間中完成自定位。定位點粘貼時必須離開邊緣12毫米以上。②連接系統啟動VXSCAN應用程序：在菜單中點擊View—Surface，在擴展面板配置激光強度與相機快門速度，在菜單欄點擊Configure—Sensor兩種模式可供選擇：手動和自動。手動模式：觸發器對準被掃描面以調整激光強度和快門速度。自動模式：點擊自動調整按鈕/Auto Adjust，然后將觸發器對準被掃描面。③開始掃描：點后按下掃描頭上的觸發器開始掃描。一直按著觸發器，讓十字激光線慢慢掃遍整個工件表面。掃描結果的質量受掃描次數與速度的直接影響，掃描的越多精度越高。距離太近或太遠都不能繼續跟蹤掃描。這意味著相機不再能通過反光點來進行定位或者反光點分布不合理。如遇不能跟蹤掃描，請將掃描頭置于已被掃描過的區域再扣動觸發器或重新粘貼定位點。④編輯掃描數據：設定微面模式，刪除被掃描工件的局部。點擊菜單中View——Facets或樹狀圖中的Facets節點，通過點擊Edit Facets按鈕來選擇編輯模式。處理后的效果如圖3所示。

圖3 三維數據處理效果

2.2 點云數據處理

①雜點的處理：雜點就是測量錯誤的點或明顯遠離被測對象表面的孤立的點。對這樣的點，一般用“斷開組件”連接的方式來進行處理，選擇點后按“刪除”鍵進行刪除。②噪聲去除：在很多情況下都會引起噪聲，比如掃描儀受到震動、隨機誤差等，一旦出現這些情況可以點擊“減少噪聲”功能進行去除，進而保證點云數據的平滑性。③冗余點：冗余點是因拼接或測量角度等問題產生重疊的多余的點。應該把這些點檢測出來，然后進行必要的處理。④點云數量優化：由于點云數據數量很大，應該優化點云數量。

2.3 三維曲面修復

①構建三角網模型：這里的點云數據是由不規則離散點構成的，需要構成被測對象的實際表。構建三角網模型能夠恢復被測對象的拓撲關系的真實表面。②多邊形的修補：如果點云的數據不完整，應該及時的手工進行數據補充，只有這樣才能保證形成完整的三角網去除特征。③去除多余部分：發現錯誤的特征或者是不需要的特征進行去除工作。如果無法去除需要返回上一步進行修補，然后再繼續。④多邊形數量的調整：如果形成的三角網模型點云密度很大，應該對其進行簡化，反之如果密度不夠，應該對其進行細化處理。⑤多邊形的平滑：使用平滑功能可以調整三角形的褶皺角度，還能夠在這個過程中對模型的局部或整體做平滑處理。⑥多邊形檢測與校正：總體上要對整個三角網模型進行一次檢測，以確定是否還有相交的三角形的地方。⑦提取輪廓線：可以自動提取輪廓線或者手工提取輪廓線。⑧編輯輪廓線：可以使用編輯輪廓線功能對錯誤或者不滿意的輪廓線進行修理，盡可能保持被測對象的自然特征。⑨繪制輪廓線：切換到繪制狀態，將編輯好額輪廓線連在一起，調節好節點位置，使輪廓線更加準確，如圖4。⑩構造曲面片：輪廓線是基準線，曲面片的包圍線是基于輪廓線擴展的。曲面片的構造是為了進一步構造網格。11○修理曲面片：構造曲面片之后一些因素可能會影響到曲面片，使其發生錯誤，這時應該使用修理曲面片功能對其進行處理，直到不再發現錯誤的曲面片，就可以構造網格。12○構造網格：基于曲面片生成網格，帶綠顏色的網格表示能比較好地擬合曲面，帶紅色的網格是有錯誤的網格，針對這種情況需要重新修理曲面片，調整一下然后再構造網格。13○擬合曲面：網格構造好之后就可以基于每一個曲面片進行曲面擬合工作，生成NURBS曲面。14○偏差分析：先選中查看偏差區域，點擊“擬合連接”圖標，系統將自動計算面與點間的偏差。15○修復、修建縫合曲面：選中有問題的曲面，采用修復曲面圖標進行修復，而后采用“修建縫合”圖標對曲面進行縫合。各步處理的支架效果如圖5所示。

圖4 輪廓線的處理效果

圖5 分步曲面創建效果

2.4 參數導入建模

①參數交換：選擇曲面對象，采用“曲面工具欄”上的“參數交換”圖標，點擊“在CAD中創建特征成功”項，將曲面導入CAD軟件中。但要能順利導入，必須安裝好相關CAD軟件的插件。②參數修改：導入CAD軟件后，即可對曲面的參數進行修改，在編輯中，可以先導出大面，再導出小面，在參數對話框中選擇“CUT”，系統將自動裁剪新導入的曲面。保存文件后，即完成了支架零件的逆向建模如圖6。

圖6 支架結果圖

3 結束語

手持式激光掃描儀突破了對使用空間和環境上的制約，不僅為逆向工程的更廣泛應用前景，也為汽車工業帶來了新的生產方式和設計思路。隨著逆向工程中數字化掃描設備和CAD重建軟件的功能和效率的不斷提高，逆向工程技術將得到更加廣泛的應用。

[1]柯映林等.反求工程CAD建模理論、方法和系統[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]徐家川等.逆向工程中車身A級曲面的評價方法[J].北京：汽車技術，2007（4）：4-8.

[3]劉修國.基于激光掃描技術的三維零件重建[J].中國激光,2011(4):46-48.

[4]黃一心.基于手持式激光掃描和Geomag ic的CAD模型重建[J].機床與液壓，2009（12）：176-178.