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(duì)被測物體進(jìn)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(tái)上處理、調(diào)整、修補(bǔ)，從而得到該物體軟件設(shè)計(jì)圖紙，之后就可以根據(jù)圖紙對(duì)該物體進(jìn)行再加工和制造。

關(guān)鍵詞：Sardauscan軟件；3D掃描儀；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；非接觸測量；CAD/CAM軟件平臺(tái) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP37 文章編號(hào)：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(zhǔn)確的坐標(biāo)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(diǎn)數(shù)據(jù)的方法。非接觸式掃描方式在采集數(shù)據(jù)時(shí)，掃描頭通常不與被掃描物體產(chǎn)生接觸，從而不會(huì)對(duì)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(jì)

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(tái)組成。下文闡述一種針對(duì)物體上點(diǎn)的計(jì)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(shí)間差測量法。三種方法之間進(jìn)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(zhǔn)度不輸于其他兩種方法。

圖1中展現(xiàn)了測量對(duì)象物體點(diǎn)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(dá)，線光源的位置在半徑為z的圓弧上，標(biāo)有z的線段實(shí)際是一個(gè)固定攝像頭和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心距離。攝像頭成像平面與圓弧的切線平行，每一個(gè)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(zhǔn)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(huì)造成攝像頭上的成像光點(diǎn)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(tái)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(duì)于參考點(diǎn)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(tái)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(jì)時(shí)可得出，z可以測出：

在上述測量過程中，只有一個(gè)不斷變化的數(shù)據(jù)，即x′。實(shí)際上，這個(gè)數(shù)值是指測量對(duì)象上的激光光點(diǎn)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(zhǔn)確計(jì)算出激光點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)。通過上述的式子計(jì)算出二者之間的垂直距離，跟實(shí)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(shí)各項(xiàng)掃描工作，掃描過程中需要在第一時(shí)間收集水平方向上和垂直方向上的數(shù)據(jù)，然后計(jì)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(dāng)光束與快速旋轉(zhuǎn)的光學(xué)裝置相遇時(shí)，光束就會(huì)自動(dòng)改變角度，然后以一個(gè)全新的角度完成發(fā)射，光束到達(dá)測量對(duì)象的表面上時(shí)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(xiàng)完整的掃描工作，完成掃描點(diǎn)的測量工作之后，我們需要讓其內(nèi)部的伺服部件以兩個(gè)軸之中的任何一個(gè)進(jìn)行小范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，為下一個(gè)掃描點(diǎn)的測量做準(zhǔn)備。以此類推，隨著掃描工作的繼續(xù)進(jìn)行會(huì)出現(xiàn)許多個(gè)不同的掃描點(diǎn)，這些點(diǎn)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(gè)控制點(diǎn)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(biāo)，這樣就能獲取較為立體、準(zhǔn)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(jìn)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(diǎn)迭代算法，然后把所有的點(diǎn)云進(jìn)行科學(xué)的拼接。在所有的數(shù)據(jù)收集過程中，可以運(yùn)用激光傳感器進(jìn)行物體的掃描，然后得到準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，專業(yè)的角度傳感器收集到準(zhǔn)確的角度信息之后，利用串口儲(chǔ)存與處理PC機(jī)數(shù)據(jù)。

3 技術(shù)路線設(shè)計(jì)

根據(jù)本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的研究方向和特點(diǎn)，制定出下面的技術(shù)路線：（1）將樣件放置于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上；（2）工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)同時(shí)光學(xué)測頭進(jìn)行點(diǎn)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(jìn)行三維建模；（5）將模型與樣件進(jìn)行比對(duì)并保存。

4 電氣原理圖設(shè)計(jì)

通過USB把a(bǔ)rduino nano控制板與PC上位機(jī)通信，控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，帶USB接口的攝像頭對(duì)數(shù)據(jù)的采集、線狀激光器一次對(duì)一條線而非單點(diǎn)的目標(biāo)物體進(jìn)行掃描測距。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，從而可以實(shí)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(biāo)定板搭建而成。系統(tǒng)分為背景設(shè)置、相機(jī)標(biāo)定及數(shù)據(jù)采集等部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)能夠完成對(duì)物體的三維掃描過程，具有成本低、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

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(dòng)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(gè)最大特點(diǎn)是跨平臺(tái)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(gè)激光器相對(duì)于攝像頭的角度。

5.3.3 電機(jī)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(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，使用速度測試儀對(duì)轉(zhuǎn)盤進(jìn)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(yùn)行正常，調(diào)整每個(gè)線光源相對(duì)于電機(jī)旋轉(zhuǎn)中心的位置。

5.3.4 調(diào)試過程中的錯(cuò)誤及解決方法。

第一，編譯失敗。解決方法：（1）檢查語法是否錯(cuò)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(xiàng)目中找到加載庫添加.zip，重新驗(yàn)證上傳。

第二，電機(jī)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(tái)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(diǎn)擊掃描平臺(tái)圖標(biāo)，完成串口設(shè)置；（4）點(diǎn)擊攝像頭圖標(biāo)，完成對(duì)軟件串口的設(shè)置；（5）完成各項(xiàng)調(diào)試，快速掃描物體形成圖像，調(diào)整對(duì)其每個(gè)激光器掃描出的圖像；（6）點(diǎn)擊掃描圖標(biāo)，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(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；（2）將geomagic處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)出轉(zhuǎn)換格式進(jìn)行加工；（3）將模型與樣件進(jìn)行比對(duì)并保存。

6 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)

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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(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）