基于Sardauscan軟件的3D掃描儀研究

范偉輝+黃秋東+張力方+解乃軍+侯軍明

摘要：文章研究了基于Sardauscan軟件的3D掃描儀。使用Sardauscan軟件，研究3D掃描儀通過對被測物體進行非接觸多角度測量，得到被測物體的關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳遞，被送至CAD/CAM軟件平臺上處理、調(diào)整、修補，從而得到該物體軟件設(shè)計圖紙，之后就可以根據(jù)圖紙對該物體進行再加工和制造。

關(guān)鍵詞：Sardauscan軟件；3D掃描儀；旋轉(zhuǎn)工作臺；非接觸測量；CAD/CAM軟件平臺 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP37 文章編號：1009-2374（2016）33-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.006

1 概述

非接觸式掃描方法由于其高效性和廣泛的適應(yīng)性，得到了廣泛的研究，這種新型的掃描方法在一定程度上緩解了傳統(tǒng)掃描方法的問題，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在逆向工程行業(yè)中。新型的掃描設(shè)備工作原理是通過物體表面的仿生作用收集準確的坐標數(shù)據(jù)，比如一些光現(xiàn)象、聲現(xiàn)象等。最常見的是通過光學(xué)掃描，從而得到產(chǎn)品掃描點數(shù)據(jù)的方法。非接觸式掃描方式在采集數(shù)據(jù)時，掃描頭通常不與被掃描物體產(chǎn)生接觸，從而不會對零件產(chǎn)生變形影響，常見的光學(xué)掃描方法的工作原理通常有結(jié)構(gòu)光測距法、激光三角法、激光干涉掃描法等。

2 整體方案設(shè)計

圖1掃描儀激光測距方案圖掃描儀激光測距原理是基于結(jié)構(gòu)光法，由高清的攝像頭、線狀激光發(fā)射器、旋轉(zhuǎn)平臺組成。下文闡述一種針對物體上點的計算方法，能夠有效提升3D掃描線光源的精確度。我們可以充分發(fā)揮激光的作用測量三角間距，除了這種方法以外還有兩種距離測量方法，即相位差測量法和時間差測量法。三種方法之間進行比較可以發(fā)現(xiàn)，三角測距法的成本較低，并且在合適的范圍內(nèi)，這種方法的精準度不輸于其他兩種方法。

圖1中展現(xiàn)了測量對象物體點P距離激光器距離x的方案圖。焦距和攝像頭成像板的一種抽象表達，線光源的位置在半徑為z的圓弧上，標有z的線段實際是一個固定攝像頭和旋轉(zhuǎn)平臺的中心距離。攝像頭成像平面與圓弧的切線平行，每一個線光源都在此弧線上且都與z所在線有一定的角度關(guān)系，從上到下分別是“-”到“+”。

以線光源0為例，要想準確測量出物體與線光源之間的距離，第一，需要確保線光源照射到物體上面；第二，需要讓反射光成功在攝像頭上成像。如果距離大小不同，就會造成攝像頭上的成像光點上的x′值發(fā)生改變。在這一過程中主要可以用到下面參數(shù)：-α線光源0與z所在線的夾角；-β線光源1與z所在線的夾角；α線光源2與z所在線的夾角；β線光源3與z所在線的夾角；z：攝像頭和旋轉(zhuǎn)平臺的中心距離；Z′：測量物體到攝像頭距離；b：接收光線與成像板的夾角；P：測量物體位置；P′：測量物體的成像位置；X：測量物體相對于參考點的距離；X′：測量物體在成像板的距離；f：攝像頭的焦距；O：旋轉(zhuǎn)平臺的中心。

如果這些參數(shù)在測距設(shè)備安裝后不再改變（固定）且數(shù)值已知，則物體距離激光器距離可由以下公式求得：

α角度在設(shè)計時可得出，z可以測出：

在上述測量過程中，只有一個不斷變化的數(shù)據(jù)，即x′。實際上，這個數(shù)值是指測量對象上的激光光點在攝像頭上的成像與邊緣之間的距離。我們可以利用攝像頭來準確計算出激光點的具體位置坐標。通過上述的式子計算出二者之間的垂直距離，跟實際距離之間的誤差

較小。

數(shù)據(jù)采集原理：通過三維激光掃描系統(tǒng)落實各項掃描工作，掃描過程中需要在第一時間收集水平方向上和垂直方向上的數(shù)據(jù)，然后計算得出激光光束的具體發(fā)射角度。激光光束是通過專門的激光發(fā)射儀器得來的，當光束與快速旋轉(zhuǎn)的光學(xué)裝置相遇時，光束就會自動改變角度，然后以一個全新的角度完成發(fā)射，光束到達測量對象的表面上時被反射回來，反射回來的信息由專門的接受裝置完成接受。這樣就完成了一項完整的掃描工作，完成掃描點的測量工作之后，我們需要讓其內(nèi)部的伺服部件以兩個軸之中的任何一個進行小范圍的轉(zhuǎn)動，為下一個掃描點的測量做準備。以此類推，隨著掃描工作的繼續(xù)進行會出現(xiàn)許多個不同的掃描點，這些點之間就形成了一條斷斷續(xù)續(xù)的線，許多不同的掃描線之間就形成了科學(xué)的掃描面，最后再增加一些測量到的距離數(shù)據(jù)就形成了一幅三維立體掃描圖像。

數(shù)據(jù)擬合原理：通過選擇多個控制點的測量，得到三維旋轉(zhuǎn)激光掃描系統(tǒng)掃描中的三維笛卡爾坐標，這樣就能獲取較為立體、準確的三維信息，為了更好地合并不同的掃描塊，我們需要在各自不同的掃描塊之間進行合理的交接區(qū)域覆蓋操作，經(jīng)過覆蓋后的區(qū)域需要利用最近點迭代算法，然后把所有的點云進行科學(xué)的拼接。在所有的數(shù)據(jù)收集過程中，可以運用激光傳感器進行物體的掃描，然后得到準確的測量數(shù)據(jù)，專業(yè)的角度傳感器收集到準確的角度信息之后，利用串口儲存與處理PC機數(shù)據(jù)。

3 技術(shù)路線設(shè)計

根據(jù)本項目團隊的研究方向和特點，制定出下面的技術(shù)路線：（1）將樣件放置于旋轉(zhuǎn)工作臺上；（2）工作臺旋轉(zhuǎn)同時光學(xué)測頭進行點云數(shù)據(jù)采集；（3）將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理軟件；（4）以處理后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行三維建模；（5）將模型與樣件進行比對并保存。

4 電氣原理圖設(shè)計

通過USB把arduino nano控制板與PC上位機通信，控制步進電機的旋轉(zhuǎn)，帶USB接口的攝像頭對數(shù)據(jù)的采集、線狀激光器一次對一條線而非單點的目標物體進行掃描測距。步進電機帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，從而可以實現(xiàn)3D掃描，獲得物體的結(jié)構(gòu)信息。

5 軟件安裝與調(diào)試

5.1 Sardauscan軟件

本軟件是一種低成本開源3D激光掃描系統(tǒng)軟件（Sardauscan），該系統(tǒng)基于結(jié)構(gòu)光法原理，由高清的攝像頭、線狀激光發(fā)射器、標定板搭建而成。系統(tǒng)分為背景設(shè)置、相機標定及數(shù)據(jù)采集等部分。實驗結(jié)果表明，此系統(tǒng)能夠完成對物體的三維掃描過程，具有成本低、性價比高的優(yōu)點。

5.2 Arduino IDE軟件

Arduino IDE是Arduino的開放源代碼的集成開發(fā)環(huán)境，它的界面簡單明了，操作比較方便，這些都推動了Arduino的程序開發(fā)。作為一款開放源代碼的軟件，Arduino IDE也是由Java、Processing、avr-gcc等開放源碼的軟件寫成，其另一個最大特點是跨平臺的兼容性，適用于Windows、Max OS X以及Linux。

5.3 調(diào)試

5.3.1 打開軟件操作面板。

5.3.2 攝像頭調(diào)試。連接并選擇攝像頭USB串口以及像素選擇，測量出轉(zhuǎn)盤中心到攝像頭的高度距離，轉(zhuǎn)盤中心到攝像頭的水平距離，每個激光器相對于攝像頭的角度。

5.3.3 電機調(diào)試及線光源調(diào)試。連接線路，連接并選擇USB串口，調(diào)試電機是否轉(zhuǎn)動，使用速度測試儀對轉(zhuǎn)盤進行測試。

調(diào)節(jié)線光源的激光線的直徑，檢查線光源是否運行正常，調(diào)整每個線光源相對于電機旋轉(zhuǎn)中心的位置。

5.3.4 調(diào)試過程中的錯誤及解決方法。

第一，編譯失敗。解決方法：（1）檢查語法是否錯誤；（2）檢查相關(guān)庫文件是否完全。

經(jīng)排查缺少庫文件庫文件下載網(wǎng)址https：//github.com/adafruit/AccelStepper，下載庫文件.（zip），在arduino項目中找到加載庫添加.zip，重新驗證上傳。

第二，電機串口連接沒有顯示。解決方法：軟件與串口連接反應(yīng)慢，等待幾分鐘即可。

5.3.5 掃描步驟。（1）將樣件放置于旋轉(zhuǎn)工作臺上，注意物件的中心與轉(zhuǎn)盤的中心重合；（2）打開軟件操作面板；（3）點擊掃描平臺圖標，完成串口設(shè)置；（4）點擊攝像頭圖標，完成對軟件串口的設(shè)置；（5）完成各項調(diào)試，快速掃描物體形成圖像，調(diào)整對其每個激光器掃描出的圖像；（6）點擊掃描圖標，獲得參數(shù)并保存文件。

5.3.6 文件后處理。（1）將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絞eomagic軟件中進行數(shù)據(jù)預(yù)處理；（2）將geomagic處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入UG進行參數(shù)化設(shè)計，導(dǎo)出轉(zhuǎn)換格式進行加工；（3）將模型與樣件進行比對并保存。

6 結(jié)語

本文的設(shè)計理念是我們所有工作人員的努力成果，經(jīng)過導(dǎo)師的認真引導(dǎo)成功完成了實物模型。基于此，我們還認真驗證了自己的設(shè)計方案，制作出一套成品以及完成上位機軟件的編寫。本設(shè)計體現(xiàn)出了團隊的重要性，同時體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，團隊的所有成員都得到了一次鍛煉。

參考文獻

[1] 吳俁.三維旋轉(zhuǎn)激光掃描系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].首都師 范大學(xué)，2009.

[2] 楊必勝.數(shù)字城市的三維建模與可視化技術(shù)研究[D]. 武漢大學(xué)，2002.

[3] 蔡嶺.基于立體視覺的目標檢測與跟蹤[D].上海交通 大學(xué)，2011.

作者簡介：范偉輝（1995-），江蘇鹽城人，南京工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：機械設(shè)計制造及自動化。

（責任編輯：黃銀芳）