基于模型的3D掃描實踐

摘 要：本文闡述了數據測量的方法，和3D掃描儀的測量模式，介紹了模型數據采集，得到點云數據。運用Geomagic Qualify軟件對數據去噪、修補、實現數據的優化并對點云數據封裝，獲得最佳三角形擬合的模型。

關鍵詞：3D掃描；顯像劑；Geomagic Qualify

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.259

1 數據測量方法概述

數據測量是整個逆向工程技術的基礎，測量工作是工作流程中的第一階段，后面的工作都要在此基礎上來完成。如果測量的數據存在誤差，模型重構所生成的模型就不可能相對準確，并且最終導致生產出來的產品不能夠如實的反應原來的實物模型。測量方法主要有兩種：接觸式測量法和非接觸式測量法[1，2]。

1.1 接觸式測量方法

接觸式測量是指利用接觸式測量設備對實物外表面進行數據采集。工作時，通過傳感器測量探頭與被測量物體直接接觸，從而產生一個記錄信號，然后通過一定的存儲設備記錄下來。接觸式測量方法根據測量原理的不同分為點位觸發式數據采集和連續式數據采集兩種。

1.2 非接觸式測量方法

隨著測量技術的不斷發展，接觸式測量方法已經不能滿足測量市場的需要，因而產生了非接觸式測量方法。非接觸式測量就是根據光學、聲學、磁學等領域的基本原理，利用某種與物體表面發生相互作用的物理現象，如光、聲、磁等模擬量信號轉化為樣件模型表面的坐標信息，從而完成對樣件表面的數據采集。主要有以下幾種：投影光柵法、超聲波法、工業CT掃描法、逐層切削照相測量、深度圖像三維測量法、核磁共振法（MRI）、自動斷層掃描法等[3]。

1.3 測量模式

測量模式分為單面掃描、標志點拼接、建立框架。

（1）單面掃描。針對比較簡單的物體進行單面的掃描，就可以得到所需的數據。

（2）標志點拼接。對較大的物體，需要多次掃描獲得數據，但是要通過貼標志點進行拼接。

（3）建立框架拼接。有些大物體被測量時，要求精度高，為防止測量的累計誤差較大，需要建力框架控制誤差。

2 模型的掃描實踐

為了使掃描實物的效果好，須用液體顯像劑對實物進行噴涂，噴涂后須等待實物表面的顯像劑晾干，方可移動進行后續操作。然后將標志點貼于實物上，一般在實物上貼5個標志點，盡量錯開保證后續在不同角度掃描時，掃描儀能捕捉到最少三個貼標點，確保每次掃描的對象能夠順利拼接。

3 掃描數據處理

利用了非接觸式測量法，提高了工作效率和掃描精度，但掃描儀對塑件掃描過程中，同一部位可能會被多次掃描，產生的點云會不斷疊加，掃描的結果包含了大量的冗余數據，對塑件后期的外形產生影響，如點云擬合的曲線、曲面的精度會降低。因此需要對掃描的數據進行必要的處理。測量數據是通過光學3D掃描儀獲得的點云。該點云是散亂的點云，處理的方法主要包括：對多次測量得到的點云去除噪聲點、減少冗余數據、修補缺損數據、對數據進行封裝等等。

3.1 去除噪聲點

去除噪聲點的方法比較多，有人機交互法，最小二乘法，弦高差方法、平滑濾波法，常用的方法是人機交互法。通常將點云可以導入Geomagic Qualify軟件，進行降噪處理。

3.2 數據修補

（1）數據修補的概念。對數據進行了降噪處理之后，有的部位形狀復雜或測量方法不夠準確等問題，在用專業軟件打開后發現點云數據有缺失。多數情況實物需要掃描反面，就需要在實物的側面增加標志點進行過渡，而每次增加一個過渡拼接點，其實物的點云就形成一個孔洞，也就是點云數據丟失。

（2）數據修補的常用方法。數據修補在工程實踐中是一個綜合的操作過程，對人的要求較高。常用的方法有直接填充法、造型設計法等。

4 數據優化及封裝

（1）點云數據的優化。隨著每次掃描的點云數據不斷增加，數據量比較龐大。這對工作站的硬件配置要求較高，同時影響數據的處理速度，所以在不影響實物掃描的精度前提下對獲得的點云進行數據優化。

（2）點云數據的封裝。點云數據優化后，對點云進行封裝。通過Geomagic Qualify軟件對點云數據的計算，以若干個三角形擬合模型。在這過程中，前期的降噪處理和數據的優化顯得尤其重要，需要重復進行以獲得最佳三角形擬合的模型質量，對高精度要求的零件需要更多的細心和耐心。

5 模型重構

模型的重構一般是根據掃描數據上的特征點，以點建線，以線建面的過程。前面雖然進行了點云數據的封裝，但由于3D掃描過程中有死角導致點云缺失，或者由于貼標遮擋掃描物體形成的破孔等原因不能形成完整的數據，需要重新建模。在工程實踐中，由于物體掃描之前是隨機擺放的，通過掃描儀得到的3D數據形成的坐標系與軟件空間的工作坐標系不匹配，所以要對3D數據重新定位，便于建模。總的設計思路是找特征點，接著連線再確定平面擺正3D數據，然后利用曲線擬合的方法進行造型。建模的總體思想是先大后小，先主后次的操作方法，利用各種建模命令對平面體進行造型。

6 總結

通過前面的3D掃描介紹，從獲得點云數據，對數據優化后生成可操作的小平面體，利用小平面體進行了3D重構，獲得了產品的近似原型。但對于精度要求較高的實物模型，在造型后的數字模型需要對掃描的數據進行比對，通過軟件分析兩者之間的重合度，如果重合度不高，需要重新建模或掃描三維數據。這個過程有可能出現反復，直到達到最優的重合度或滿足塑件的功能要求，一般在工程實踐中對裝配件更加要注意。

隨著中國制造2025的提出，傳統工業體制運行模式將發生質的變化，新產品開發的周期也將越來越短。本文提出的基于原始的3D掃描實踐也是制造業當中常用的逆向工程技術，是產品前期開發中，對外觀、功能的驗證，從而降低產品的生產成本。

參考文獻：

[1]陳麗.逆向工程關鍵技術的研究與應用[D].西安工業大學，2011.

[2]Marek Vanco，Guido Brunnett. Direct Segmentation of Algebraic Models for Reverse Engineering [J].Computing， 2004：207-220.

[3]宋巖，周艷華，劉雅翔等.逆向工程技術及工程應用研究[J].科技資訊，2010（35）：43-44.