自定位手持式三維激光掃描儀精度測試與分析

李　泉，程效軍

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

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自定位手持式三維激光掃描儀精度測試與分析

李泉，程效軍

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

三維激光掃描技術是一種高精度高效率的測繪新技術，在逆向工程、三維可視化、虛擬現實等領域被廣泛使用。手持式三維激光掃描儀是三維激光掃描儀的一種，其便攜性和高精度的特點使其在文物考古、醫學等領域具有獨特的優勢。但在應用過程中，實際獲取的掃描數據精度往往會受到儀器自身、掃描目標及外界環境的影響。本文對手持式三維激光掃描儀的誤差來源進行了分類，并針對各個誤差來源進行分析，然后以EXAscan手持式三維激光掃描儀為例，設計了相應的試驗方案并對其精度進行了測試與分析。

手持式三維激光掃描儀；誤差來源；點云數據；精度分析

手持式三維激光掃描儀是一種便攜式三維激光掃描儀，通過手持移動掃描來獲取目標表面的三維數據。其自定位功能，可以在掃描過程中對掃描對象進行自動配準，極大地提高了測量工作的效率。手持式掃描儀不僅測量速度較快，而且測量精度較高，因此非常適合于結構復雜、紋理多樣的物體的掃描，因而被廣泛應用于文物三維仿真中。

對測量結果的精度分析是測量過程中的重要環節。由于三維激光技術的測量機制異于傳統形式，因此傳統的測量儀器檢定方法無法直接用于檢定三維激光掃描儀。雖然三維激光掃描儀的生產廠商在儀器出廠時會給出儀器的性能指標，但這些性能指標是在特定環境中得到的。在實際工作時，儀器能否達到標稱精度有待驗證[1]。目前，對三維激光掃描儀精度分析的研究主要是針對地面固定式掃描儀，對于中長距的掃描儀能方便地通過建立室外檢校場進行精度分析與檢校[2]。而對于短距離手持式三維激光掃描儀，建立室外檢校場的方法顯然不行。由于手持式三維激光掃描儀測量機制的原因，其掃描數據精度的影響因素也與其他測量儀器有一定的差異。只有在分析其精度影響因素的基礎上，掌握不同因素對掃描結果造成的影響，才能確保使用手持式掃描儀進行掃描時達到最佳的狀態。

一、手持式三維激光掃描儀測量誤差來源

根據誤差理論，手持式三維激光掃描儀的測量誤差可分為系統誤差、偶然誤差和粗差。系統誤差具有累積性，可通過選擇合理的觀測條件及對測量結果的規律性進行歸納與改正[3]。偶然誤差是隨機誤差，可通過多次重復觀測，削弱其影響。粗差是由于測量時不正當操作或是不恰當測量環境等造成的較大的偏差。一般情況下，在測量工作時，注意操作規范，粗差是可以避免的。此外，在進行數據處理時，采用穩健估計方法也可以有效地將粗差剔除。

通過對誤差來源進行分析，手持式三維激光掃描儀的測量誤差主要可分為由儀器、掃描目標及環境引起的誤差。其中，儀器的影響主要包括掃描儀內部的CCD接收器、光學部件及發射的激光強度與激光光斑形狀的影響[4]。掃描目標的影響主要包括掃描目標的粗糙程度、相對掃描儀傾斜程度與顏色的影響。環境影響主要是在掃描儀工作時周圍環境的溫度、濕度、氣壓等因素的影響[5]。另外還包括邊緣效應及多路徑效應等的影響[6]。

1. 儀器自身的影響

由于激光掃描儀內部光學部件制造等因素會對掃描數據產生影響，且掃描儀內部CCD相機的分辨率及激光器光斑形狀也會對掃描數據產生影響，故通常情況下，掃描儀自身的系統誤差無法通過多次測量消除，只能通過儀器設計制造工藝的提高及儀器校準來消除或削弱。

(1) 掃描儀內部光學部件的影響

掃描儀內部的光學部件對掃描數據的影響主要來源于鏡頭的各種像差，主要有球差、慧差、場曲、畸變和象散等[7]。像差會使實際成像點偏離理想的成像點。由于手持式三維激光掃描儀采用單色光，因此與色差有關的像差可以忽略。

(2) CCD分辨率的影響

CCD器件由一系列光敏元排列成矩陣構成，每個光敏單元都有一定的尺寸，相鄰兩個單元之間的間隔一定。CCD的分辨率靠光敏元的尺寸大小及光敏元之間的間隔確定[8]。如圖1所示，當掃描儀距離測量物體的距離d較小時，則l較大，超過了CCD的探測范圍，此時，即使物體距離掃描儀很近，但仍無法得到圖像。而當掃描儀距離物體較遠時，d較大，而l相對較小，此時，l值能否精確探測則依靠CCD的分辨率，分辨率越高，則能獲得的l值越精確。

圖1　CCD分辨率的影響原理示意圖

(3) 激光光強與光斑形狀的影響

激光光強分布不均會使得到的散射光斑信號強度分布不均，產生多峰、中心偏離等現象，使掃描物體在CCD光敏元件上的成像中心偏離理論位置，從而引起掃描數據的誤差。激光光強太強會使光敏元件過度飽和，而光強太弱則接收到的信號強度太弱，將不在光敏元件探測范圍內，從而造成數據無法探測。

通常情況下，理想的激光光斑為線條或單個光滑圓點，但在實際掃描過程中，激光光斑會產生變形。以圓形激光光斑為例，若發射激光束直徑較大時，當被測物體的表面不均勻時，散射的光斑光能的質心與光斑的集合中心不重合，從而帶來一定的測量誤差。

2. 掃描目標反射面的影響

三維激光掃描儀接收掃描目標的反射激光能量，反射激光的能量主要受物體反射特性的影響。不同的掃描目標表面反射特性也不相同，從而導致掃描數據產生誤差。

(1) 反射面傾斜的影響

當掃描目標傾斜時，掃描物體表面對入射激光不均勻散射，使掃描儀內部接收器接收到的激光光能在單位時間內不均勻變化。因而使CCD光敏元件接收到的激光光斑的光能質心與幾何中心產生偏離，得到的掃描數據會產生偏差。

(2) 反射面粗糙程度的影響

當掃描目標表面過于光滑時，漫反射成分較少，對于CCD而言，接收到的主要是正反射的干擾信號。掃描目標表面粗糙不均時，當入射激光到達目標表面凹凸不平處，使得光斑形狀產生變化，引起CCD光敏元件輸出信號不穩定，從而造成測量結果的差異。

(3) 反射面顏色的影響

不同顏色的反射面有不同的光譜信號，因此對激光的反射信號有一定的影響。激光照射到不同顏色的物體表面，激光被吸收及反射的程度不同，CCD接收器接收到的信息也會有所差異。一般的，掃描目標顏色對掃描儀發射激光的反射率越高，得到的目標反射激光強度越大，掃描數據的精度也就越高[9]。

3. 邊緣效應的影響

由于發射的激光束有一定的發散角，故當入射激光到達掃描目標表面時會形成一定大小的激光光斑[10]。如圖2所示，當激光入射在某一物體的邊緣時，該激光束僅一部分被掃描目標反射，其余的反射能量可能由掃描目標的相鄰物體反射。此時CCD接收到的能量是不同物體反射能量的綜合，因而掃描數據的測距精度會產生偏差。

圖2　邊緣效應的影響

4. 溫度、濕度、氣壓等外界環境的影響

由于光在空氣中傳播會受到溫度、濕度、氣壓等的影響，激光的形狀及傳播路徑會發生改變。當測量距離較遠時，由于大氣衰減的原因，光的傳播速度與方向均會有改變。溫度的變化也會引起激光傳播路徑的變化，從而造成接收器接收到信號的變化。此外，如風、霧、雨、雪等天氣對掃描儀也會有一定的影響，如激光打在雨水上會有一定的反射，從而使掃描數據產生偏差。

二、試驗測試

1. 試驗儀器

試驗測試采用Creaform公司的EXAscan手持式激光掃描系統，主要包括手持式掃描儀及配套的數據處理系統。該掃描儀如圖3所示，主要部件為儀器下端的十字激光發射口、兩端的CCD接收器及中間的工作按鈕。其主要性能指標見表1。

圖3　EXAscan手持式三維激光掃描儀

性能指標數值測量速率25000次/s分辨率/mm0．050最高精度/mm0．040體積精度0．020mm+0．100mm/m基準距/mm300十字激光范圍210mm×210mm60mm×60mm(高分辨率)

2. 儀器內符合精度測試

儀器內符合精度是指儀器對同一觀測量進行多次觀測，得到的觀測數據之間的較差。儀器的內符合精度反映了儀器的穩定性。試驗時將球靶標放置于固定平臺上，在50 cm左右距離上對其重復掃描4次，圖4為試驗所用的球靶標。

圖4　球靶標

獲取掃描數據后，在Geomagic Studio軟件中，對數據進行預處理并提取靶標的球心坐標及球體半徑。表2為試驗獲取的數據與計算結果。

表2　內符合精度測試　mm

從表2的數據中可以看出，4次掃描所得球心坐標的中誤差較小，均在0.007 mm以內。由此可以得出本次試驗的手持式掃描儀的內符合精度很高，儀器內部穩定性較好。

3. 掃描物體粗糙程度與顏色對儀器精度的影響

在做掃描物體粗糙度與顏色影響的試驗時選擇一張光滑的A4打印紙與一張粗糙的A4鉛畫紙，在兩張紙上均打印上8.5 cm×8.5 cm的6個圖形色塊，分別為黑色、紅色、綠色、藍色、黃色和紫色。試驗時將兩張A4紙平整地置于桌面，在室內無光照的環境下進行掃描，如圖5所示，得到的是兩張紙張的掃描數據。

圖5　粗糙度不同紙張的掃描數據

本次試驗所用手持式激光掃描儀的測量精度并不受顏色的影響，試驗對象上有6個不同色塊，從獲取的點云數據上無法區分這6種色塊，整張紙張上的掃描數據均勻分布，無明顯差異。將掃描數據進行處理，得到光滑紙張點云個數為107 354，粗糙紙張點云個數為107 344。可以發現兩者在點云個數上并無多少差異。由上述結果可以得知，物體的粗糙程度對于手持式掃描儀測量精度影響不大。

為了進一步分析掃描物體顏色與粗糙程度的影響，對4張兩種不同粗糙度、大小均為8.5 cm×8.5 cm的紙張進行掃描，紙張分別為紅色與黑色。試驗時，將紙張置于桌面，在室內無光照的環境下，進行掃描并記錄紙張掃描所需的時間。試驗結果見表3。

表3　顏色與粗糙度對掃描時間的影響

由表3數據分析可知，掃描儀對于紅色紙張的掃描時間均較短，黑色紙張所用時間較長。造成時間差異的主要原因是黑色為吸光色且光滑表面的反射性較強，其漫反射成分較少，導致接收到的信號較少，粗糙度增加了其表面的漫反射成分，因此掃描儀接收到的信號增加，最終使得掃描時間縮短。

4.儀器體積精度測試

體積精度分析試驗主要利用掃描儀對球靶標及工業標準件進行掃描并三維建模，將得到的球靶標與標準件的模型體積與其標準體積進行對比，通過兩種體積的差值分析手持式三維激光掃描儀的體積精度。

首先利用掃描儀分別對每個目標進行完整的掃描，由掃描數據進行三維建模，掃描數據與所建模型見表4。

計算出各三維模型的體積并與標準體積進行比較，根據廠家提供的標稱精度可得4種材料體積的允許誤差，具體數值見表5。

由表5可知，對于球靶標及圓柱體而言，其體積差值均在標稱精度的允許范圍內。但另外兩個標準件的體積精度卻超出了其標稱精度的范圍。分析原因可能是由于本次試驗選用的標準件為不銹鋼材質，鏡面反射成分較多，另外長方體與正方體邊緣效應的影響，也會帶來體積偏差。綜上分析可知，本次試驗的手持式掃描儀對于一般物體的掃描數據的體積精度可以達到廠家提供的標稱精度。但對于有些特殊物體，如某些帶有鏡面反射的物體及有邊緣效應影響的物體，其體積精度則難以達到標稱精度。

表4　體積精度測試材料與三維模型

表5　體積精度分析數據　mm3

三、結束語

本文根據不同誤差來源對EXAscan手持式三維激光掃描儀的精度進行了測試與分析。由內符合精度測試試驗結果得出該儀器的內符合精度很高，儀器內部穩定性較好；而儀器的掃描數據精度也不受顏色與粗糙度的影響，顏色與粗糙度僅僅對掃描時間產生影響；但該儀器對于邊緣特征明顯且具有鏡面反射的物體表面的掃描效果比一般物體差，掃描結果會受到一定的影響。體積精度測試試驗得出該儀器對于一般物體掃描的體積精度能達到標稱精度。此外，環境因素對于掃描結果會有一定的影響，仍需要進一步的深入研究。

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李泉，程效軍.自定位手持式三維激光掃描儀精度測試與分析[J].測繪通報，2016(10)：65-68.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0331.

2015-12-01

李泉(1992—)，女，博士生，主要研究方向為攝影測量與遙感。E-mail: springlee329@hotmail.com

P237

B

0494-0911(2016)10-0065-04