簡易三維激光掃描實驗裝置的設計

李振

利用激光掃描技術能夠非常方便地獲取被測物體的三維信息并建立模型，但儀器設備價格較高，不能很好地應用于課堂教學。文章設計一種簡易的三維激光掃描實驗裝置，結(jié)構簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的三維掃描功能，滿足基本的教學需要。

【關鍵詞】激光 掃描 裝置

1 前言

在現(xiàn)代檢測領域的很多場合，我們需要快速、準確、有效地獲取空間三維信息。傳統(tǒng)測量技術主要是單點精確測量，可以很方便的測量出工件的幾何參數(shù)，但是用來建模就很困難。理論上，我們可以對一個物體測量許多個點，然后根據(jù)這些點的參數(shù)來建立物體的三維模型。為了準確描述目標結(jié)構的完整屬性，需要大量的測量點采集，少則幾萬個，多則幾百萬以上，如果用傳統(tǒng)的測量方法，工作量太大，效率太低。

傳統(tǒng)的檢測方法和技術很難快速準確地獲取各種大型、復雜、不規(guī)則被測物體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)信息。利用三維激光掃描技術，可以迅速地獲取將被測物體的多維數(shù)據(jù)信息，進而可以快速復現(xiàn)被測物體的三維實體模型。同時，還可以對激光掃描中獲取的三維點云數(shù)據(jù)進行有限元分析、仿真分析、任務模擬等后續(xù)的處理工作，也可以作為UG、CAD、有限元等各種正向工程工具對稱應用的工具。三維激光掃描技術應用廣泛，但是成本也較高。本文介紹一種簡易的三維激光掃描實驗裝置，利用一些簡單的元器件即可組裝，完成基本的掃描任務，可較好地應用于課堂教學。

2 實驗裝置的工作原理

由激光發(fā)射器將紅外光照射到被掃描物體上，利用改進后的攝像頭（只能吸收紅外光）對物體進行拍攝。攝像頭采集的信息經(jīng)軟件處理后生成點云，再將點云模擬成物體的具體形狀，實現(xiàn)三維掃描功能。

3 元器件的選用

3.1 激光發(fā)射器的選用

激光發(fā)射器的作用是產(chǎn)生激光并將其照射到被掃描物體上。激光照射到物體表面一般有兩種類型，點狀和線狀。線型光照射到被測物體反射后得到的是一個掃描截面的數(shù)據(jù)，所以采用線型光可以加快掃描速度，精度也較高。雖然線型光的光亮強度會隨著距離的增加而衰減，但是當被掃描的物體距離較近時，完全可以滿足要求。

對于激光發(fā)射器的選擇，主要考慮發(fā)射波長和功率。本裝置建議選用波長為850nm的紅外激光發(fā)射器，與后續(xù)的紅外濾光片相配套（見“攝像頭的選用”）。為了能夠縮短攝像機曝光速率進而從畫面上過濾到環(huán)境光的干擾，一般選擇較高的激光器功率。選擇較高功率的激光器還可以增加掃描距離。但是，選擇激光發(fā)射器時還應考慮安全問題，功率越大，存在的安全隱患也越大。所以，本裝置不宜選取功率較大的激光發(fā)射器，建議選擇功率小于100MW的激光器，并時刻注意在使用時不能用眼睛直視。

3.2 攝像頭的選用

攝像頭的作用是采集圖像信息。如果攝像頭只能采集物體表面被照射的光線而不采集其他光線，這樣成像的效果最好，可大大減小環(huán)境干擾。一般市面常見的USB VGA攝像頭（像素越高越好）即可滿足要求，但是需要對其做一改進。為了能夠使攝像頭只采集物體表面上的光線，需要移除攝像頭鏡片中的紅外截止濾光片，自行安裝一個紅外濾光片。

紅外濾光片允許紅外光透過而對可見光截止，它的透光波長范圍要與前面所選的紅外激光發(fā)射器波長相對應。如果不移除紅外截止濾光片，則只能夠感受到很微弱的紅外信號。

3.3 伺服電機的選擇

為了能夠掃描物體的全部或某一特定輪廓形狀，需要激光發(fā)射器與攝像頭一起相對被掃描物體做旋轉(zhuǎn)運動。實現(xiàn)這一運動有兩種方式，即手動與自動兩種方式。手動形式最簡單的方法就是手持物體或激光器使其旋轉(zhuǎn)，另外一種方法就是將激光器安裝在專用支架上，然后手動旋轉(zhuǎn)調(diào)整。自動形式則需要采用步進電機，通過步進電機控制工作臺，帶動激光器或者物體做精確的旋轉(zhuǎn)運動，可以相對轉(zhuǎn)動某一指定的角度。

本實驗裝置中選用的攝像頭幀率是30fps，掃描速度不快，對步進電機無太高要求，只要能夠直接控制定位到指定角度，驅(qū)動相對容易即可。普通的標準舵機雖然精度相對較低，但是考慮到本裝置的成本與使用場合，可滿足要求。

4 圖像的處理和渲染

利用專門軟件對攝像頭采集的圖像信息進行處理，生成點云，從而建立被掃描物體的三維模型。由于采用了紅外激光器，在加裝濾光片后，背景光干擾被有效的去除。畫面上除了激光光斑外，幾乎看不到別的內(nèi)容。紅外激光在攝像頭中將以偏紫色的色彩顯示。一般情況下，可自行編寫軟件來查看3D點云，也可以利用開源的MeshLab、Matlab、Blender等工具查看點云。對于一般的實驗裝置，可以選擇david-laserscanner或者blender軟件，這兩款軟件使用方便、功能強大。

5 結(jié)語

現(xiàn)在市面上有很多三維激光掃描裝置，功能強大并且精度很高，但是價格不菲。文中介紹的掃描實驗裝置結(jié)構簡單，只要明白了工作原理，完全可以自己組裝，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的掃描功能，價格低廉，非常適用于課堂教學和學生的課外知識拓展。但是本實驗裝置也存在一些問題，比如掃描精度有待提高，如何將多次掃描的點云對接起來等。相對于幾千元甚至數(shù)萬元的激光掃描儀，該實驗裝置具有非常高的性價比。

參考文獻

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作者單位

九江職業(yè)技術學院 江西省九江市 332007endprint