便攜式3D激光掃描儀成像原理與三維重建

文/張仕林 馬創(chuàng) 張雨薇 王 雪，上海電機(jī)學(xué)院

便攜式3D激光掃描儀成像原理與三維重建

文/張仕林 馬創(chuàng) 張雨薇 王 雪，上海電機(jī)學(xué)院

現(xiàn)有的掃描儀存在體積較大、便攜性較差、掃描精度不高、定價(jià)不夠平民等諸多不足，本項(xiàng)目為此設(shè)計(jì)了一款集便攜性、高精度、性價(jià)比于一身的三維掃描魔盒以滿足大眾消費(fèi)者的低成本、便攜式桌面級掃描需求，同時(shí)便于用戶的模型重建或3d打印。該掃描儀由8位微處理器ATmega328單片機(jī)控制，由羅技C270相機(jī)捕捉物體上激光線圖像，再傳送到PC端軟件進(jìn)行處理和重建。

Arduino；激光掃描；三維重建

三維激光掃描技術(shù)(3D激光掃描技術(shù))是一種先進(jìn)的全自動高精度三維掃描技術(shù),高精度三維建模和逆向工程重構(gòu)會用到這項(xiàng)活復(fù)制技術(shù)。成千上萬,和數(shù)百萬。復(fù)雜的場景環(huán)境被它可以深入掃描,采集各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則的數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī),從而快速重構(gòu)目標(biāo)的三維云模型。此外,各種后處理,如測空、分析、仿真、測驗(yàn)和投影的模擬顯示,如監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實(shí)[2]等。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)以Arduino Uno作為控制中心，利用線性激光和圖像傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，以及使用圖像處理軟件進(jìn)行拼接去噪，最終形成三維模型輸出。該設(shè)計(jì)由四大模塊構(gòu)成，分別是：Arduino模塊、圖像采集模塊、激光掃描模塊和圖像軟件處理模塊

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

整個(gè)硬件部分的架構(gòu)我們采用模型3D打印套件與螺桿以及電機(jī)軸承鑲嵌加固的設(shè)計(jì)，先是根據(jù)主要的硬件架構(gòu)模塊設(shè)計(jì)出合適的3D打印套件，然后由3D打印機(jī)打印出模型，并且用銼刀、電鉆等工具進(jìn)行打磨，然后進(jìn)行組裝，利用螺母，熱熔膠等固定工具將整個(gè)架構(gòu)給固定好，使其達(dá)到堅(jiān)固可靠的效果。

外觀部分我們采用了專門的定制的亞克力圓柱作為主體外觀，即內(nèi)徑22厘米，高8厘米，封底，以及另一個(gè)內(nèi)徑13厘米，高24厘米封底，才用打孔、螺絲固定、點(diǎn)熱熔膠等方式將Arduino模塊、圖像采集模塊、激光掃描模塊等一一固定在圓柱內(nèi)壁上，以保證整個(gè)硬件系統(tǒng)的一體性和耐久度，外層表面采用了先進(jìn)的陽極氧化質(zhì)感噴涂技術(shù)，使得整個(gè)硬件系統(tǒng)的外形，充滿現(xiàn)代科技的藝術(shù)氣息，螺絲外圍由墊板裁切粘合作為保護(hù)套，既保證的外觀的美觀性，又能保護(hù)螺桿不受侵蝕，即有極大的實(shí)用性。棱角與弧線的碰撞使得整個(gè)硬件系統(tǒng)內(nèi)斂又不失活力，質(zhì)感足又不失科技感。

Arduino 主要由控制板與擴(kuò)展板組成，Arduino Uno R3主要由ATmega328系列單片機(jī)和USB轉(zhuǎn)串口電路構(gòu)成。8位微處理器ATmega328片內(nèi)包含32kb Flash2KB SRAM，1KB EEPROM，運(yùn)行時(shí)鐘頻率為16MHz ,通過內(nèi)部預(yù)置的bootloader程序可以直接下載程序到Uno中。ATmega328單片機(jī)產(chǎn)生高電平信號傳輸?shù)讲竭M(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)開始帶動帶掃描物體運(yùn)轉(zhuǎn)。羅技C270相機(jī)捕捉轉(zhuǎn)動物體上激光線圖像傳輸?shù)絇C端待用。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三維激光掃描技術(shù)流程如下：

（1）影像的配準(zhǔn)

配準(zhǔn)是將從幾個(gè)不同的站獲取的數(shù)據(jù)拼接在一起以產(chǎn)生單個(gè)坐標(biāo)系的過程。通過指定獨(dú)立基站中的一個(gè)的位置和方向來確定初始坐標(biāo)系。當(dāng)拼接完成后，多個(gè)ScanWorlds將合并到一個(gè)新的ScanWorld。

（2）掃描輸出與后續(xù)加工

激光雷達(dá)技術(shù)的最直接的結(jié)果是整體距離圖像模型和三維重建模型。 圖像生成的結(jié)果包括原始模型，輪廓，特征和數(shù)據(jù)模型（包括三角測量，Nurbs，簡單幾何模型）。最終還可以制作彩色模型，輸出正射影像圖和三維模型。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)算法的概述

距離影像又稱點(diǎn)云，由無數(shù)具有灰度或彩色信息的空間點(diǎn)陣構(gòu)成。在影像合并拼接或配準(zhǔn)過程中，這種陣列形式可能被打亂，這時(shí)候距離影像中的點(diǎn)陣就變成散亂的點(diǎn)。

（4）三維重建與除噪聲

從高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描物體的重建儀提取需要的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理的重要部分，根據(jù)三維模型表示不同方式，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型重建是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面的模型重建，主要構(gòu)造網(wǎng)格（三角面片）逼近掃描物體表面。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分為三個(gè)階段：

3.1 連接硬件與參數(shù)調(diào)節(jié)

在標(biāo)定之前我們需要把激光器和相機(jī)的參數(shù)調(diào)節(jié)到合適的狀態(tài)，主要是調(diào)節(jié)闕值、對比度、曝光等參數(shù)，攝像頭捕捉到的最清晰最明亮的畫面且使得畫面中出現(xiàn)彩線和細(xì)膩均勻的激光線條。

3.2 標(biāo)定

通過軟件進(jìn)行三個(gè)主校準(zhǔn)的過程設(shè)置：

攝像機(jī)實(shí)況：相機(jī)的傳感器的標(biāo)定和鏡頭。

可以在相機(jī)上調(diào)整的設(shè)置：亮度，對比度，飽和度，曝光，幀速率，分辨率和

3.3 掃描

3.3.1 平臺控制

掃描過程中有它自己的設(shè)置和調(diào)整的攝像頭，激光，電機(jī)和圖像處理算法和點(diǎn)云。

該設(shè)置可以手動調(diào)整使用此面板，他們分為以下內(nèi)容：

3.3.2 使用激光：

可以選擇左激光，右激光或兩者。如果使用兩個(gè)激光掃描時(shí)間更長，但兩倍的點(diǎn)會被掃描。使用兩個(gè)激光掃描的時(shí)間不是一個(gè)激光的兩倍。

3.3.3 快速掃描：

一個(gè)可供選擇的實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)。實(shí)際上它減少掃描時(shí)間的一半，而不影響分辨率。作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)，在掃描過程中可能出現(xiàn)一些錯誤

3.4 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的是掃描杯子，所以只有側(cè)面和正上面的杯口可以看到，且由于杯子手柄部位會遮擋到激光的直射，所以掃描出的模型會有一個(gè)缺口，存在這一具體問題需要后期進(jìn)行人工重建，以形成一個(gè)完整的，可以展示的模型。下面是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即掃描完成后的三維模型。

易被掃描的物體應(yīng)具備下列特征：

（1）表面為亞光處理，不易反光

（2）盡可能地為圓柱體或類似于圓柱體的物體

（3）表面盡可能地凸起，使激光經(jīng)過物體中心的線可以均勻有效地打在每一處表面的紋理上。

3.5 結(jié)論

綜合來講；整個(gè)軟硬件的設(shè)計(jì)與組裝方面有一定的創(chuàng)新性，其難點(diǎn)和重點(diǎn)就在于每次進(jìn)行標(biāo)定時(shí)候，由于受到光線明暗，光照對比度大小以及客觀的實(shí)驗(yàn)場景的影響，其標(biāo)定的成功率忽高忽低，，為此進(jìn)行了嚴(yán)格的測試和反復(fù)的總結(jié)，設(shè)置好對光線影響寬容度最高的各項(xiàng)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對物體三維數(shù)據(jù)的具體掃描掃描[4]。

[1]鄭德華,沈云中,劉春,等.三維激光掃描系統(tǒng)測量方法與前景展望[D].長春,長春理工大學(xué),2015．

[2]郭琳娜,張吉平,柳永全,等.利用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地形測繪[J].中國科技論文，2015．

[3]楊航,徐松戰(zhàn),等.基于三維激光掃描的汽車零部件逆向設(shè)計(jì)[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015．

指導(dǎo)老師：黎明