3D立體掃描演示裝置

朱石明

選題來源

如今，越來越多的3D初創公司試圖擠進當前尚小但是卻在不斷擴展的增材制造（即3D打印）領域，但3D實物掃描設備的昂貴價格卻讓人望而卻步。在創客教學的課堂上，也需要一個3D掃描的演示裝置，讓學生更好地領會3D掃描原理。

主要創新

令巧妙利用一字形激光器及與其互成一定角度的攝像頭構成測距裝置，獲得被掃描物體表面的深度信息。

令研究和理解3D掃描儀的功能，并作出適合自己的修改，共同探究以幫助改善其性能并擴展其功能。

令3D立體掃描演示裝置采用透明的、純白色有機玻璃制造，能讓學生更好地領會3D掃描原理。

方案構思

3D掃描儀是一種將物體的三維圖像信息輸入電腦的設備，這種設備相當復雜，并且非常昂貴。目前市面上單點的激光測距儀已經比較常見，并且價格也相對低廉。但是它只能測量目標上特定點的距離。當然，如果被掃描對象安裝在1個旋轉平臺上，旋轉被掃描對象1周，單點激光測距儀就變成了2D激光雷達。2D激光雷達使用單束點狀激光進行掃描，因此只能采集1個截面的距離信息。如果要測量3D的數據，還需要使用如下2種方式進行擴充：①采用線狀激光光源；②使用1個2D激光雷達掃描，同時在另一個軸進行旋轉，從而掃描出3D信息。

第1種方式掃描速度可以很快，精度也比較高。但缺點是由于激光變成了1條線段，其亮度（強度）將隨著距離大幅衰減，因此測距范圍很有限。對于近距離（

3D激光掃描的原理

本課題采用了線狀激光器1次對1條線而非目標物體的1個單點進行掃描測距。將線狀激光器圍繞目標物體進行旋轉，從而實現3D掃描。

線狀激光器測距的問題可以轉化為單點激光測距的計算問題。對于線狀激光器產生的激光線條，算法將按照y軸依次計算出當前y軸高度下，激光光斑的x坐標值px。

要從攝像頭畫面中計算出光點的坐標信息，需要識別并確定激光光點，排除干擾，確定光點中心的精確位置。

簡單地講，可以認為激光光點的亮度是1個二維的Gauss函數在畫面上經過了一次采樣得到的。那么，可以通過擬合或者簡單的線性插值/求質心的手段，估計出光點的中心。

對于線狀激光器的求解過程與點狀激光類似，區別在于此時將按照圖像的每行（或者每列）分別找出激光光斑的中心。

元器件的選擇與提升

對于激光器的選擇，主要是考慮其發射波長和功率。由于我的制作不用像現有產品那樣考慮激光器功率安全問題，因此，采用了200mW的紅外一字線激光器（圖1）。較大功率的優勢是可以通過縮短攝像機曝光速率過濾掉環境雜光的干擾，同時也可以掃描較遠的距離。作品整體外觀見圖2。

實驗測試與研究

驗證激光測距原理。準備2張打印紙，將這2張紙粘貼在2個紙板或硬紙殼上，以90°垂直方式，放置在角落里。在正面安裝網絡攝像頭，并按照指定的殼度和對比度進行調試。之后，借助計算機程序輸入圖像，移動激光照明燈，掃描物體。

工作室一角的掃描效果，見圖3。

掃描一個小小的我，見圖4。

性能與成本

本文介紹的低成本3D激光掃描儀具有如下性能：

全自動掃描拼接，黑色或柔軟物體等也可掃描；

點云數據整體分辨精度超過0.05，細節紋路清晰；

具備完整的軟件界面系統，包括校準平臺、工作平臺、掃描平臺等。

計算機操作系統：WindowsXP、Windows7、Windows8

掃描方式：非接觸式面掃描

相機：300萬像素工業相機

視頻鏡頭：300萬像素工業鏡頭

工作范圍：200mm×200mm×225mm

掃描精度：0.03mm

掃描速度：單次0.5?1.2s

掃描耗時：10?120min

外形尺寸：350mm×500mm×240mm

掃描距離：125?750mm

整機重量：3kg

制作成本：主控板、激光器件、步進電機、亞克力板材等，合計約1050元

該項目獲得第31屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科技發明類一等獎。

專家評語

該項目研究一種3D立體掃描演示裝置。利用一字形激光器及與其互成一定角度的攝像頭構成測距裝置，獲得掃描物體表面的深度信息，實現3D掃描原理的演示。技術方案合理，有較好的創新性、很好的實用性和推廣價值。