工藝參數對便攜式三維激光掃描測量精度影響的試驗研究

宋雨彪 馬兆利 胡文浩 董李揚

（北京航星機器制造有限公司，北京100013）

1 引言

近年來，三維激光掃描技術已廣泛應用于測繪、逆向工程、文物修復等領域[1]。多位學者針對不同類型三維激光掃描系統的測量精度開展了大量研究。文獻[2]分析了機載激光掃描系統的系統觀測誤差和系統集成誤差，認為通過動態差分技術和提高硬件設施提高精度可以大幅提高系統精度；文獻[3]研究了地面激光掃描系統誤差及控制方法，認為影響掃描精度的主要因素為控制網精度、標靶測量精度、掃描距離及目標物反光率，在此基礎上文獻[4～9]將地面激光測量系統誤差的影響因素分為三類：儀器誤差、目標物體反射面相關誤差、外界環境條件。文獻[10]認為影響便攜式掃描系統誤差的主要因素為掃描儀內部光學部件的影響、CCD 分辨率的影響、激光光強與光斑形狀的影響、反射面顏色的影響和邊緣效應的影響。

上述研究結果表明系統誤差、儀器精度、目標物體材料特性、測量方法和外界環境等因素對三維激光掃描系統的測量精度均有顯著影響，但關于工藝參數對掃描精度的影響缺少研究，因此本文以Handyscan700 便攜式三維激光掃描儀為研究對象，簡要介紹了三維激光掃描儀測量原理及特點，結合某航天產品艙體實例，著重分析工藝參數（掃描入射角度、靶點密度、測量距離）引入的誤差，重點探究了工藝參數對測量精度的影響規律，并得到了最優工藝參數組合，為便攜式三維激光掃描儀作業和進行點云數據處理時降低誤差影響提供了理論基礎和事實依據。

2 便攜式三維激光掃描儀測量原理及特點

2.1 測量原理

便攜式三維激光掃描儀應用激光三角測距法采集目標體三維信息，其基本原理[9]是利用具有規則的幾何形狀激光束或模擬探針沿著被測物體表面連續掃描，利用被測物體表面漫反射，反射的光點或者光帶在光路中的圖像傳感器上成像，通過三角形法則直接計算出被測點的三維坐標。三角測距法分為直射式和斜射式，與斜射式測量法相比直射式測量法具有結構緊湊空間利用率高、測量盲區小、測量結果有位移性等優勢，更適合測量多特征異形復雜曲面，本文所使用的三維激光掃描儀屬于直射式，其測距原理如圖1所示。

圖1 直射式三角測量原理圖

三維激光掃描儀由激光發生器、聚透鏡、目標表面、接收透鏡和光電感應器五部分組成，激光發生器射出的光線經聚透鏡聚焦后垂直照射到被測物體表面，入射光點處的散射光經接收透鏡后在光電位置探測器敏感面上成像，當目標體空間位置或表面高度發生變化時，入射光點沿入射光軸移動，光電感應器敏感面上的像也會有對應的位移增量[11～15]，由三角幾何關系和成像關系可知：

將上式變換，得到被測點A的高度值為：

當γ＝90°時，上式可變換為：

式（3）為直射式三角測距法目標體表面上點的高度計算關系表達式，為確保測量范圍內的點都能準確在光電感應器敏感面上成像，夾角γ必須滿足：

其中，W是橫向放大系數。

2.2 主要特點

相比于全站儀單點測量方式，便攜式三維激光掃描儀是全自動、高精度掃描測量儀器，可以獲得全面的、連續的、關聯的全景點三維掃描坐標，其主要特點：a.高精度：實際操作條件下的高精確性，體積精度達0.02mm+0.06mm/m；b.直觀性：在VXelements軟件中實時更新掃描結果；c.適用復雜環境：自帶LED光源，不受光線影響；d.高效率：掃描速度可達500000次測量每秒。

3 工藝參數引入的誤差探究

工藝參數對三維激光掃描結果的影響主要分為四個方面，即測量距離、入射角度、靶點密度以及標靶位置和過渡方式，鑒于標靶位置和過渡方式對掃描結果的影響是固定的，本文后續以測量距離、入射角度和靶點密度三個工藝參數為關鍵因素進行研究，通過正交試驗法探究工藝參數對測量精度的影響規律，進而獲取最優工藝參數組合。

3.1 正交試驗表設計

本文以某實際產品為對象采用正交試驗法進行三維激光掃描試驗研究，以測量距離、入射角度和靶點密度為試驗因素，采取三因素四水平正交表，具體試驗因素與水平如表1所示。

本正交試驗利用單位現有設備Creaform Handyscan700 便攜式三維激光掃描儀、SanLiang 萬能角度尺和聯想筆記電腦Y480 開展。

表1 試驗因素與水平表

表2 三因素四水平正交試驗表

表3 三維激光掃描試驗參數

3.2 試驗過程

3.2.1 設備校準和參數配置

圖2 校準及參數配置

設備校準和參數配置是三維激光掃描儀根據目標體表面反光特性進行快門自適應調整的過程，合理的快門可以有效提高掃描精度，調整過程界面見圖2。

3.2.2 貼黑白反光標點并掃描

合理設置靶點位置和過渡方式能夠有效提高掃描精度。工件變換位置后，應保證不少于四個公共標靶，合理增加靶點數量可以有效提高后期拼接精度。但是，靶點位置應避免定位點過密、線形排列或有規律地分布現象，如圖3所示。

圖3 粘貼靶點位置及注意事項

掃描具有多個特征面的零件時，需要設置過渡面，過渡面的設置可以有效降低人為掃描誤差。此外，掃描過程中需要注意將過渡點刪除，否則掃描所獲得的三維模型存在過渡靶點位置區域掃描數據缺失的現象，對比如圖4所示。

圖4 掃描數據對比圖

3.3 試驗結果分析

對采集到的試驗數據采用固定點周圍取九點計算標準差，如果正值數大于負值數時，標準差取正，反之為負，這種初步處理數據方式所得數據稱之為等價標準差，本文等價標準差即為等價誤差。為描述試驗結果優劣，采用打分制將試驗結果量化，打分標準如表4所示。根據掃描結果與理論模型的誤差評級對掃描質量進行打分，如表4、表5所示。

表4 打分標準

表5 掃描誤差分數表

3.3.1 直觀分析

采用正交試驗極差分析方法對三維激光掃描結果進行直觀分析，試驗結果如表6所示。表中的Li=，L1、L2、L3和L4分別代表各個因素在水平1/2/3/4下的三維掃描質量分數，經分析可以得到工藝參數測量距離、和靶點密度對掃描質量的影響程度相同。質量分數越高代表掃描質量越好，因此選取每個工藝參數中使Li取最大值的水平即為最優參數組合，即得到較高掃描質量的工藝參數組合為入射角度90°、靶點密度60mm、測量距離300mm。效應曲線圖可以直觀形象的反映出正交試驗直觀分析結果，如圖5所示。

表6 試驗結果直觀分析表

圖5 各因素分數直觀分析效應圖

3.3.2 方差分析法

對數據進行方差分析，置信度分別取90%、95%、99%，分析結果如表7所示，三個因素的F比在置信度為95%時均大于臨界值3.86，即達到了顯著水平，這說明正交試驗是合理可信的。

表7 正交試驗結果方差分析表

3.4 試驗驗證

對比試驗以上文所用的某實際產品為對象，試驗安排如表8所示，試驗結果如表9和圖6所示。

表8 對比試驗參數

表9 掃描誤差分數表

通過圖6所示各因素分數直觀分析發現試驗3和試驗5并列為最高評分，但試驗3與試驗5相比，前者比后者靶點密度大掃描質量基本一致，從經濟性角度和操作便捷性角度考慮，試驗3參數組合即入射角度90°、靶點密度60mm、測量距離300mm為最優組合。

圖6 各因素分數直觀分析效應圖

4 結束語

本文在已有研究的基礎上，通過正交試驗法重點探究了入射角度、靶點密度和測量距離等工藝參數對便攜式三維激光掃描儀掃描質量的影響規律，提出了采用質量分數法來評價掃描質量，最終獲取了最優工藝參數組合。試驗結果表明：入射角度對掃描質量影響最大，靶點密度和測量距離對掃描質量的影響程度相同，且三者之間無耦合作用，各工藝參數的最優組合為入射角度90°、靶點密度60mm 和測量距離300mm。