三維激光掃描技術(shù)

1、激光掃描儀是借著掃描技術(shù)來(lái)測(cè)量工件的尺寸及形狀等工作的一種儀器，激光掃瞄儀必須采用一個(gè)穩(wěn)定度及精度良好的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，當(dāng)光束打（射）到由馬達(dá)所帶動(dòng)的多面棱規(guī)反射而形成掃瞄光束。由于多面棱規(guī)位于掃瞄透鏡的前焦面上，并均勻旋轉(zhuǎn)使激光束對(duì)反射鏡而言，其入射角相對(duì)地連續(xù)性改變，因而反射角也作連續(xù)性改變，經(jīng)由掃瞄透鏡的作用，形成一平行且連續(xù)由上而下的掃瞄線。由于掃瞄法系以時(shí)間為計(jì)算基準(zhǔn)，故又稱為時(shí)間法。它是一種十分準(zhǔn)確、快速且操作簡(jiǎn)單的儀器，且可裝置于生產(chǎn)在線，形成邊生產(chǎn)邊檢驗(yàn)的儀器。激光掃瞄儀的基本結(jié)構(gòu)包含有激光光源及掃瞄器、受光感（檢）測(cè)器、控制單元等部分。激光光源為密閉式，較不易受環(huán)境的影響，且容易形

2、成光束，目前常采用低功率的可見(jiàn)光激光，如氦氖激光、半導(dǎo)體激光等，而掃瞄器為旋轉(zhuǎn)多面棱規(guī)或雙面鏡，當(dāng)光束射入掃瞄器后，即快速轉(zhuǎn)動(dòng)使激光光反射成一個(gè)掃瞄光束。光束掃瞄全程中，若有工件即擋住光線，因此可以測(cè)知直徑大小。測(cè)量前，必須先用兩支已知尺寸的量規(guī)作校正，然后所有測(cè)量尺寸若介于此兩量規(guī)間，可以經(jīng)電子信號(hào)處理后，即可得到待測(cè)尺寸。因此，又稱為激光測(cè)規(guī)。激光掃瞄儀在工業(yè)生產(chǎn)在線檢測(cè)產(chǎn)品時(shí)，利用這種非接觸式而不需停機(jī)，甚至設(shè)有自動(dòng)警報(bào)及回饋控制等功能。測(cè)量范圍從0.25mm457mm之間，精度可達(dá)。激光掃描的原理是什么？原理比較簡(jiǎn)單，事實(shí)上和全息照片有著相同的原理首，先，需要將激光分成兩束，一束光照射

3、物件，一束直接照到底片上，使感光原件感光。從這是利用了從物體后部反射的激光束與物體前部反射的激光束所走過(guò)的距離不同，因此與直接照射的參考光束所形成的干涉條紋不同，而三維型激光掃描儀則記錄了全部的條紋，也就記下了物體的立體形象，只要再用激光去照射全息圖片，就可以顯出物體的真面目。觀看這樣的圖片時(shí)，只要改變觀察的角度，就可以看到被前面物體擋住的部分，而且從這機(jī)關(guān)報(bào)照片中任意剪下一小塊，都可從它看到物體的全貌，只是觀察的窗口較窄，就好比從鑰匙口看室內(nèi)的情況一樣。三維激光掃描儀測(cè)控技術(shù)及回波信號(hào)處理方法的研究近些年來(lái)，隨著數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，各種不同領(lǐng)域?qū)τ讷@取原始數(shù)據(jù)信息的需求也日益增多。其它相關(guān)

4、技術(shù)如計(jì)算機(jī)、機(jī)械制造等的進(jìn)步和發(fā)展，使人們獲取信息的方法和技術(shù)變得多種多樣。三維激光掃描技術(shù)是其中一種利用激光脈沖對(duì)物體表面進(jìn)行掃描從而獲取其表面特征信息的技術(shù)，它適用于中近距離的寬場(chǎng)景、大物體的快速高精度掃描，為建立場(chǎng)景的三維模型提供了必要而且準(zhǔn)確的工具。通過(guò)與計(jì)算機(jī)的連接，三維激光掃描的后處理技術(shù)可以使掃描結(jié)果得到更為廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)三維激光掃描儀的測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)及通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)提高測(cè)距精度的方法進(jìn)行了深入的研究。首先介紹了三維激光掃描的特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外有關(guān)發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn)等，根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)測(cè)控系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、分析和討論。然后，對(duì)常用的距離計(jì)數(shù)

5、法進(jìn)行了精度分析，根據(jù)三維掃描儀的精度要求分析了采用多種提高測(cè)距精度的對(duì)激光的主、回波波形進(jìn)行采集、分析與處理的方法，比較了這些方法的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)，并通過(guò)軟件進(jìn)行了仿真，證明了方法的可行性。通過(guò)這些回波分析的方法，提高了三維激光掃描儀的掃描精度。三維激光掃描儀測(cè)量方法與前景展望首先詳細(xì)論述了三維激光掃描儀測(cè)距、測(cè)角、掃描及定向的若干方法,然后通過(guò)三維激光掃描儀發(fā)展現(xiàn)狀的介紹,及各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)圖表式對(duì)比、分析,得出了三維激光掃描儀測(cè)程、精度及掃描速率之間的關(guān)系。針對(duì)三維激光掃描儀的局限性,提出其會(huì)向精密定位、多功能集成、完全國(guó)產(chǎn)化、軟件公用化等方向發(fā)展的趨勢(shì)隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,三維模擬、實(shí)

6、物重構(gòu)、虛擬現(xiàn)實(shí)等理論的相繼提出,人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)已從平面二維空間,逐漸轉(zhuǎn)向空間三維立體思維模式。三維激光掃描儀的出現(xiàn)解決了這一實(shí)際問(wèn)題,通過(guò)三維激光掃描技術(shù),又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”,以其非接觸、掃描速度快、獲取信息量大三維掃描儀與逆向工程關(guān)鍵技術(shù)研究隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)、影視制作、服裝設(shè)計(jì)、醫(yī)療診斷和軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域提出了一個(gè)越來(lái)越迫切的要求:快速獲取物體的三維模型。三維掃描儀就是一種能夠直接得到物體的原始三維信息的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備。這種從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型的技術(shù),稱之為逆向工程。我們研制的三維掃描儀系列產(chǎn)品集光學(xué)、機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、圖像處理等諸多領(lǐng)域的知識(shí)為一體,是

7、具有重大應(yīng)用價(jià)值的高科技產(chǎn)品。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(69775022)和“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863-306-ZT04-06-3)的資助下，對(duì)三維掃描儀系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究和技術(shù)實(shí)現(xiàn),重點(diǎn)研究了三維信息獲取和逆向工程中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù):系統(tǒng)定標(biāo)、數(shù)據(jù)修補(bǔ)、點(diǎn)云壓縮、三維重建、網(wǎng)格簡(jiǎn)化等。本文首先系統(tǒng)總結(jié)了現(xiàn)有三維信息獲取技術(shù)，簡(jiǎn)要介紹了常見(jiàn)的幾種三維掃描儀產(chǎn)品和今后的發(fā)展趨勢(shì)，提出了三維數(shù)字化基本流程和關(guān)鍵技術(shù)。三維掃描儀按照信息獲取方式的不同可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式使用測(cè)頭直接觸碰物體表面，根據(jù)測(cè)量裝置的空間幾何結(jié)構(gòu)得到測(cè)頭的坐標(biāo);非接觸式主要基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，從攝像機(jī)拍

8、攝的圖像中獲取目標(biāo)的三維信息?？紤]到不同的應(yīng)用場(chǎng)合,我們分別研制了接觸式多關(guān)節(jié)機(jī)械臂三維掃描儀(3DLCS-400)和非接觸式結(jié)構(gòu)光彩色三維掃描儀(3DLCS-200)。本文簡(jiǎn)要介紹了這兩種三維掃描儀的系統(tǒng)原理、系統(tǒng)構(gòu)成以及工作流程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)偏差會(huì)導(dǎo)致坐標(biāo)測(cè)量誤差,為提高測(cè)量精度,對(duì)三維掃描儀進(jìn)行定標(biāo),以獲得盡可能準(zhǔn)確的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)是非常必要的。本文針對(duì)非線性系統(tǒng)的多參數(shù)定標(biāo)問(wèn)題,結(jié)合最小二乘法和遺傳算法各自優(yōu)點(diǎn),提出了一種收斂速度快,又有較高精度的混合智能算法。首先通過(guò)改進(jìn)的最小二乘法計(jì)算得到問(wèn)題的次優(yōu)解,以此作為遺傳算法的基因中心值,并將基因范圍動(dòng)態(tài)縮小進(jìn)行進(jìn)化計(jì)算,從而獲得最優(yōu)解。該

9、算法解決了傳統(tǒng)方法遇到奇異陣無(wú)法求逆的困難,克服了一般遺傳算法效率太低的缺點(diǎn),大大提高了定標(biāo)的速度和精度。在三維掃描儀對(duì)物體掃描過(guò)程中,由于各種因素的限制,可能導(dǎo)致物體某些三維激光掃描技術(shù)及其工程應(yīng)用研究三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)了一門新技術(shù)，其被譽(yù)為“繼GPS技術(shù)以來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命”。該技術(shù)作為獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段，以其快速、精確、無(wú)接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，推動(dòng)了各個(gè)領(lǐng)域工作新方法的開(kāi)展。傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查方法在某種程度而言費(fèi)時(shí)、費(fèi)力同時(shí)存在調(diào)查人員的人身安全問(wèn)題，并且有時(shí)難以獲得令人滿意的結(jié)果。結(jié)合三維激光掃描的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將其應(yīng)用到巖

10、土、地質(zhì)工程領(lǐng)域中，作為傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查方法的有益補(bǔ)充，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。(1)本文首先介紹了三維激光掃描技術(shù)的國(guó)內(nèi)、外研究現(xiàn)狀，針對(duì)激光掃描儀的硬件設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的分類；三維激光掃描技術(shù)的基本原理及誤差分析，簡(jiǎn)要探討了三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法的區(qū)別。(2)針對(duì)本次論文中所大量應(yīng)用的ILRIS3D激光掃描儀及后處理軟件Polyworks8.0進(jìn)行了較詳盡的介紹，包括了三維數(shù)據(jù)的獲取、處理、解譯、獲取信息等整個(gè)過(guò)程。(3)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到巖土、地質(zhì)工程領(lǐng)域，針對(duì)其在工程應(yīng)用中的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析，包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、地質(zhì)信息的識(shí)別與解譯及地質(zhì)結(jié)構(gòu)面參數(shù)的計(jì)算方法研究。(4)通過(guò)所做

11、的大量工程實(shí)例，探討三維激光掃描技術(shù)在工程應(yīng)用中的方法及優(yōu)勢(shì)，總結(jié)三維激光掃描技術(shù)的工程適用性及存在的問(wèn)題并分析實(shí)際工程應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明三維激光掃描技術(shù)在巖土、地質(zhì)工程領(lǐng)域獲取空間數(shù)據(jù)的快速性、高效性、高精度和高分辨率特性是傳統(tǒng)測(cè)量、調(diào)查方法不可比擬的，該技術(shù)在本領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。逆向工程技術(shù)的研究與工程應(yīng)用在逆向工程及快速成型的過(guò)程中，要考慮到很多因素。包括逆向工程中的數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)以及快速成型的原理、分類、特點(diǎn)等，以及RE和RP的集成。本文主要是對(duì)逆向工程及快速成型技術(shù)做了一些分析和探討。在概述當(dāng)今逆向工程的總的情況之后，分析比較了逆向工程中常見(jiàn)的幾種測(cè)量方法，并

12、著重介紹和分析了以光學(xué)測(cè)量技術(shù)為主的數(shù)據(jù)采集方式及其原理，在提高測(cè)量精度方面作了一些分析。在數(shù)據(jù)處理方面，本文主要詳細(xì)分析了測(cè)量輸出后的幾種數(shù)據(jù)文件格式，針對(duì)這些數(shù)據(jù)文件作了一些研究，利用現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)工具和軟件，作了一些嘗試。比如利用VC6.0開(kāi)發(fā)了程序，可以計(jì)算三角片的法矢量、三角片的一些特征信息，以及狹長(zhǎng)三角形的判斷，特別是分析了除最小角a之外的兩個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn):外接圓和內(nèi)切圓半徑之比值R/r,以及三角形的不等邊度E,及它們與最小角之間的一致關(guān)系。在分析STL格式文件的基礎(chǔ)上，本文給出了三角網(wǎng)格中頂點(diǎn)V棱邊E三角片F(xiàn)的關(guān)系三維模型，提出了它們之間的關(guān)系式R(V，E，F(xiàn))。在實(shí)踐中，打通了從ATOS到Surfacer以及后續(xù)CAD通用軟件(如UG等)的一條線，解決了一些問(wèn)題。然后對(duì)基于點(diǎn)云的三角化成型方法作了研究，討論了三角Bezier曲面片的成型方法。為了拓寬逆向工程的應(yīng)用，考慮到短期內(nèi)很多企業(yè)無(wú)法購(gòu)買較貴的專用軟件，本文還根據(jù)（*.asc）數(shù)據(jù)文件編寫了面向AutoCAD的接口程序，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)在最通用軟件AutoCAD的可視化。接著簡(jiǎn)單地比較和分析了快速成型中較實(shí)用的幾種方法，以期得到工程實(shí)際應(yīng)用中的合適路徑。在面向工程應(yīng)用的逆向工程系統(tǒng)環(huán)境一章中，主要是介紹了以ATOS、Surfacer、UG構(gòu)成的逆向工程處理鏈。比較詳細(xì)地?cái)⑹隽岁P(guān)于ATOS光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)及其