非接觸三維掃描測(cè)量數(shù)據(jù)的處理研究

王喜華

摘要：社會(huì)在不斷的進(jìn)步，我國(guó)工業(yè)也在飛速的發(fā)展，因此工業(yè)中對(duì)于實(shí)體造型設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。在造型設(shè)計(jì)中，非接觸式三維掃描技術(shù)是獲取數(shù)據(jù)的主要方式之一，同時(shí)在對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描并通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程中，非接觸式三維掃描技術(shù)的作用也不容小覷，其對(duì)于后續(xù)構(gòu)建實(shí)物的三維立體模型起著決定性作用。本文主要通過(guò)一個(gè)實(shí)物模型為例，將非接觸式三維掃描技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的全過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)處理;三維掃描;非接觸式;研究

隨著科技的不斷發(fā)展，三維數(shù)字化技術(shù)逐漸趨于成熟，非接觸式三維掃描技術(shù)在工業(yè)造型的設(shè)計(jì)中被應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，由于利用這種測(cè)量技術(shù)采集出的數(shù)據(jù)往往分布的十分密集，因此通常將其稱為“點(diǎn)云”[1] 。而點(diǎn)云中出現(xiàn)影響曲面構(gòu)建的噪聲點(diǎn)以及雜點(diǎn)往往是無(wú)法避免的，因此在構(gòu)建曲面之前就需要對(duì)這些噪聲點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如點(diǎn)云的拼接對(duì)其以及剔除噪聲點(diǎn)等操作，這樣才可以有效確保最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

一、非接觸式三維掃描對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理分析

（一）對(duì)失真點(diǎn)及噪聲點(diǎn)的處理分析

由于各種外界因素的影響，在采用非接觸式三維掃描技術(shù)對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量時(shí)，出現(xiàn)一些誤差也是不可避免的，這些誤差即失真點(diǎn)以及噪聲點(diǎn)[2] 。因此，要想保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，需要嚴(yán)格的查找失真點(diǎn)，并將噪聲點(diǎn)進(jìn)行剔除。關(guān)于查找失真點(diǎn)，一般可采取如下兩種方式：直觀檢查法，這種檢查方法主要是利用人力，通過(guò)人眼直接對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行查找，由于圖形會(huì)通過(guò)終端顯示出來(lái)，這時(shí)候就可以通過(guò)人眼進(jìn)行篩查，將偏差比較大或者數(shù)據(jù)點(diǎn)過(guò)于集中的地方剔除掉，但是由于這種檢查方式是人為操作的，因此存在一定的局限性，一般只在數(shù)據(jù)的初步檢查階段會(huì)采用該檢查方式;曲線檢查法，這種檢查方式的是將需要檢查的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)最小乘法的方式進(jìn)行曲線繪制，繪制完成后，階數(shù)就可以根據(jù)曲線截面的大小來(lái)確定，最后再分別計(jì)算出各個(gè)中間點(diǎn)距曲線的距離大小，如果最終計(jì)算出的距離不在允許誤差范圍之內(nèi)，則這一點(diǎn)即為可剔除點(diǎn)。不難看出，曲線檢查法相對(duì)于直觀檢查法其準(zhǔn)確性會(huì)更高，而且適用范圍也比較廣，適用性也較高。而對(duì)噪聲進(jìn)行剔除時(shí)，利用相關(guān)的專業(yè)軟件就可以進(jìn)行操作。

（二）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理

由于利用非接觸式三維掃描技術(shù)進(jìn)行掃描時(shí)，其測(cè)量出的數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)量非常龐大，如果將所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)云直接構(gòu)建曲面，如此龐大的工作量不僅會(huì)嚴(yán)重消耗計(jì)算機(jī)資源，還會(huì)嚴(yán)重影響最終的數(shù)據(jù)處理進(jìn)度，因此在對(duì)所測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行失真點(diǎn)處理以及噪聲點(diǎn)剔除之后，還需要將篩選過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理[3] 。對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)處理的原則為：不同的點(diǎn)云類型，所用的精簡(jiǎn)處理方式也會(huì)有所不同，如果點(diǎn)云處于掃描線上，則通常采用等間距法對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)處理;如果點(diǎn)云位置相對(duì)散亂，通常情況下會(huì)采用隨機(jī)采樣的精簡(jiǎn)方式。如果要掃描的地方曲率比較小，保留少部分的數(shù)據(jù)點(diǎn)即可，反之，如果掃描的地方曲率比較大，就需要保留多一點(diǎn)的的數(shù)據(jù)。不僅如此，在對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)處理的過(guò)程中，一般還會(huì)用到非均勻網(wǎng)格法以及均勻網(wǎng)格法兩種方法。非均勻網(wǎng)格法可以根據(jù)不同被測(cè)物體的不同外形對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，因此比較適用于較對(duì)為復(fù)雜的零件對(duì)齊表面數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理;而均勻網(wǎng)格法可以起到將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保留的作用，因此比較適用于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的零件。

（三）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理

由于對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行處理的過(guò)程中，產(chǎn)生隨機(jī)誤差的情況是不可避免的，而這些誤差很可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)在建構(gòu)曲面時(shí)出現(xiàn)各種質(zhì)量問(wèn)題，影響三維實(shí)體模型的最終搭建。因此在構(gòu)建曲面之前需要對(duì)簡(jiǎn)化后的數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行平滑處理，具體方式如下：高斯濾波法，這種方式可以將一定區(qū)域內(nèi)的高頻噪點(diǎn)進(jìn)行有效剔除，同時(shí)保留原始數(shù)據(jù);平均值濾波法，通過(guò)改變點(diǎn)云的位置來(lái)平滑數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于高斯濾波法較平均值來(lái)講，對(duì)于數(shù)據(jù)的影響小，因此最為常用。

（四）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理

現(xiàn)如今，采用非接觸式三維掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，常用的數(shù)據(jù)拼接方式為：采用專業(yè)的軟件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多片塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合對(duì)齊，通過(guò)分塊測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)，一般來(lái)說(shuō)可看作是一個(gè)剛體，對(duì)其進(jìn)行拼接處理時(shí)就可將問(wèn)題直接轉(zhuǎn)化為三位剛體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以提前指定的最佳匹配規(guī)則為基準(zhǔn)，把重疊的2片點(diǎn)云通過(guò)坐標(biāo)的變換按照最優(yōu)的基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)齊，由于3個(gè)點(diǎn)即可確定一個(gè)平面，因此在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)就可以建立一個(gè)用于對(duì)齊的3個(gè)點(diǎn)作為準(zhǔn)基點(diǎn)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)將三維數(shù)據(jù)的多視點(diǎn)的統(tǒng)一，因此這種基于3個(gè)準(zhǔn)基點(diǎn)的方式在工程中較為常用;通過(guò)專業(yè)的測(cè)量裝置進(jìn)行處理，這種方式需要專門設(shè)計(jì)一個(gè)工件自動(dòng)移動(dòng)的裝置，這樣就可以實(shí)時(shí)記錄測(cè)量過(guò)程中工件的轉(zhuǎn)動(dòng)角度等。

二、應(yīng)用實(shí)例的分析

本文利用非接觸式三維掃描技術(shù)，主要以鼠標(biāo)的實(shí)體模型為例進(jìn)行掃描，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，最終獲得鼠標(biāo)的三維立體模型，處理及分析過(guò)程如下所示：

（一）對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入處理

在掃描結(jié)束后，需將計(jì)算機(jī)中的4個(gè)鼠標(biāo)模型的點(diǎn)云文件進(jìn)行導(dǎo)入[4] 。導(dǎo)入時(shí)，為了確保后續(xù)的處理步驟不受影響，可以選取4個(gè)不同的顏色來(lái)代表4個(gè)鼠標(biāo)的點(diǎn)云。

（二）對(duì)噪聲點(diǎn)進(jìn)行剔除處理

測(cè)量時(shí)，通常會(huì)通過(guò)擴(kuò)大掃描范圍來(lái)避免模型邊緣的數(shù)據(jù)丟失，但這樣一來(lái)又會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)很多不相干的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)即為噪聲點(diǎn)。為了保證最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并確保后續(xù)環(huán)節(jié)可以照常進(jìn)行，需要先剔除這些噪聲點(diǎn)，經(jīng)過(guò)剔除噪聲處理的鼠標(biāo)模型為圖1。

（三）對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理

在進(jìn)行拼接處理時(shí)，有以下幾點(diǎn)問(wèn)題需要特別注意：注意點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接順序，應(yīng)該按規(guī)定順序進(jìn)行拼接對(duì)齊;確保兩片點(diǎn)云拼接公共部分的3個(gè)點(diǎn)不在同一條直線上;完成拼接后，通過(guò)計(jì)算機(jī)中的專業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的對(duì)齊拼接處理。

（四）對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理

上文對(duì)于對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)處理進(jìn)行了詳細(xì)分析，本文所選取的實(shí)體模型為鼠標(biāo)，從圖1可以看出該模型并不是簡(jiǎn)單的零件，屬于相對(duì)復(fù)雜的，因此需要利用非均勻網(wǎng)格法對(duì)該點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，精簡(jiǎn)處理后的結(jié)果如圖2所示。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)非接觸式三維掃描技術(shù)測(cè)量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，關(guān)鍵的步驟包括：對(duì)失真點(diǎn)及噪聲點(diǎn)進(jìn)行剔除、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理[5] 。在剔除噪聲點(diǎn)時(shí)需要小心謹(jǐn)慎，避免丟失重要的數(shù)據(jù)信息，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接對(duì)齊時(shí)，可以通過(guò)確保兩片點(diǎn)云拼接公共部分的3個(gè)點(diǎn)不在同一條直線上來(lái)作為對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)。如果前期將點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理到位，后續(xù)的造型設(shè)計(jì)可以說(shuō)已經(jīng)成功了一半。

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（作者單位：遼寧省交通高等專科學(xué)校）