三維掃描技術掃描精度研究

摘 要：隨著科技的發展，三維掃描技術被越來越廣泛地應用，三維掃描主要是用于通過對物體結構和外形輪廓進行掃描，來獲得掃描目標外形表面的三維坐標。掃描時應用三維激光掃描儀快速地獲得掃描目標的外形表面的三維坐標云數據，然后對獲得云數據用建模軟件進行處理，重新構建物體的三維模型。人工對一些大型的復雜零件進行尺寸測量有一定難度，可以用激光三維掃描儀測量。同時，三維激光掃描儀也可以用于復雜的工作環境。但是，掃描過程會存在各種因素，可能會出現誤差，從而對建模造成影響，導致構建出的模型和實體模型有很大偏差。所以，提高掃描精度對于三維掃描具有重要意義。

關鍵詞：三維激光掃描;誤差分析;提高精度

1? 三維掃描技術的原理

1.1? 結構光掃描原理

三維掃描技術可以對物體進行照相測量。所謂的照相測量就是相當于用照相機對視野范圍內的物體進行照相，不同的是照相機攝取的是物體的二維圖像，而三維掃描的測量儀獲得的是物體的三維坐標[1]。

1.2? 激光掃描原理

激光掃描儀的基本結構包含激光光源及掃描器、受光感（檢）測器、控制單元等部分。激光光源是密閉的，不容易受到環境的影響，而且可以形成光束，通常用低功率的可見光激光，比如氦氖激光、半導體激光等。掃描器是旋轉多面棱規或雙面鏡，當光束射入掃描器后，可以快速轉動使激光反射成一個掃描光束。光束掃描全程中，如果有工件擋住光線，則可以測知直徑大小[2]。

1.3? 三坐標原理

三坐標測量機[3]是由3個互相垂直的運動軸XYZ建立起的一個直角坐標系，測頭的運動都在坐標系中進行，測頭的運動軌跡由測球中心來表示。測量時，把被測零件放在工作臺上，測頭與零件表面接觸，三坐標測量機的檢測系統可以隨時給出測球中心點在坐標系中的精確位置。

2? 影響三維激光掃描精度的因素

在三維激光掃描的過程中，有很多影響掃描精度的因素，還有隨機因素造成的誤差等，都可能會影響到最終的測量結果，導致三維激光掃描產生誤差[4]。

2.1? 儀器誤差

儀器誤差是因為三維激光測量儀器本身性能缺陷所產生的測量誤差[5-6]。

（1）角度和測距誤差。三維激光掃描儀主要由角度測量裝置和激光光束偏轉裝置兩部分組成。激光光束偏轉系統容易在水平方向和垂直方向產生測量偏差，同時掃描電機非均勻的轉動和細微的振動導致實際數據點同測量值存在坐標差值。

（2）濾鏡自身誤差。透鏡既不是理想的，也不是很薄的。當透鏡相對物距很大或物體離透鏡軸很遠時，單透鏡的初級像差是很嚴重的。為此，目前工業領域一般采用消除初級像差的影響。

（3）攝像機分辨率影響。分辨率表征儀器檢測工件的最高解析能力，主要由像素尺寸和像素間距的大小因數決定。CCD攝像機對像素位置測量只能取整數，而且不是連續的量，主要還取決于測量范圍。國內外一般常采用雙攝像頭三角測量方法，兩個攝像頭對稱分布在光平面的兩側，接收光束的漫反射光，有利于減少測量的盲區，增加接收光束的漫反射光。

2.2? 與目標物體的誤差

任何時候，物體的反射特性都會影響到反射信號的強度。與目標物體反射面有關的誤差包括目標物體表面材質、粗糙程度、射面傾斜和顏色等引起的誤差[7]。

2.2.1? 被測工件表面的粗糙度的影響

點云測量精度與被測目標表面的粗糙度有密切關系。由于三維掃描儀激光回波信號具有多值性特點，不同的系統對回波信號處理的方式不同，導致激光腳點位置誤差ds小于等于工件表面的最大粗糙度?max的50%。然而，工件表面的光滑程度并不是越光滑越好，如果被測工件表面十分光滑，往往會出現不同程度的鏡面反射現象，引起測量數據較大誤差或點云數據不完整，甚至出現系統報警。工件表面粗糙度引起測距偏差如圖1所示。

2.2.2? 被測工件表面傾斜度的影響

激光光束的起始直徑大小恒定，并且具有一定的發散角，導致激光從發射孔到工件的實際距離同測量值存在微小偏差，同時不同的傾斜角度導致的誤差也不盡相同。激光光束的起始直徑大小恒定，并且具有一定的發散角，導致激光從發射孔到工件的實際距離同測量值存在微小偏差，同時不同的傾斜角度導致的誤差也不盡相同。工件表面傾斜度引起測距偏差如圖2所示。

2.2.3? 反射率

由于激光照射到工件表面都會被其不同程度的吸收和反射，所以激光測距主要依賴于激光反射工件的能力。一般情況下，激光反射率會受到工件的粗糙度、表面顏色和材質的影響。表面顏色由物體反射電磁波的波長決定，反映了材質的特性，不同材質在不同波長下的反射率如表1所示。

各種工件表面反射率不同，將導致激光掃描產生微小的系統性均方根誤差，表明白色表面比黑色、暗灰色表面測量精度高，影響誤差小。

為提高測量精度，可在檢測前對被測工件進行表面噴涂，使被測工件表面呈現良好的漫反射，有效改善被測工件由于反光、透明、抑或各種顏色、材質造成的掃描數據質量差等缺陷，使其更易于掃描和獲取高質量的點云數據。

2.3? 與外界環境有關的誤差

掃描儀在測量時的精度還受到外部環境影響，如溫度、濕度和壓強等，這些因素會影響到電器元件的尺寸與形變、激光在介質傳播速度及折射率，從而直接或間接地影響測量精度。此外，室外空氣質量的好壞也會影響到最終測量結果，如暴雨、沙塵暴、霧霾等天氣會增加最終測量的噪點數量，增加后續數據處理的難度。

溫度是外部環境中對測量精度影響最大的因素，也是可控性最強的途徑之一。當溫度超越臨界范圍時，設備的供電性能、精密機械構件和掃描儀測量速度都會受到影響。因此，在使用工業級三維激光掃描儀和手持式激光掃描儀時，都會給出儀器正常工作溫度范圍，一般在非冷凝環境下0～45 ℃。所以在使用設備前，要選擇良好的外界環境，以便提高掃描數據的精度。

2.4? 操作誤差對精度的影響情況

（1）采樣距離。三維激光掃描儀的精度與實際使用過程中的采樣距離和物體的反射率有關。對于同樣的工件，在不同位置測量的數據不同，因此采樣距離決定著精度的結果。

（2）標靶數量和類型及位置。合理設置參考標靶類型、數量和位置能夠有效提高數據掃描的精度。理論上，工件變換位置，至少保證有4個公共標靶，且適當增加標靶數量可以有效提高后期拼接精度。同時，由于紙質黑白標靶黏性不穩定和易出現凸起現象，為提高后期拼接精度，一般采用球形標靶或球形標靶與磁性標靶組合使用的方式進行測量。此外，標靶的位置應避免定位點過密、線形排列或有規律地分布現象，任意兩點的距離保證在20～100 mm為宜。

（3）光柵影響。當被測工件表面的顏色偏暗時，可在掃描系統的設置項中“單面掃描項”中選擇“白色光柵”;若被測工件表面顏色偏亮，可在設置菜單項中“單面掃描項”選項，選擇“紅色光柵”。

3? 結語

三維激光掃描儀對目標物體外表面進行掃描，可以快速獲得被測物體的三維坐標，這些三維坐標有很多，少的有幾萬，多的達到幾百萬，然后通過建模軟件對這些大量數據進行處理，就可以得到待測物體的三維模型。三維激光掃描儀在掃描物體時具有速度快的優點，同時對于大型的復雜零件，人工測量其尺寸有難度，這時可以運用激光三維掃描儀進行測量?，F如今，隨著技術的發展，三維掃描技術越來越重要，這也就要求掃描精度要高，但是在掃描過程中由于各種因素，不可避免地會產生誤差，這會對建模有很大的影響，若對誤差置之不理，最后構建出來的實體模型由于誤差的存在而與原型大相徑庭。因此，提高掃描精度對三維掃描具有重要意義。

[參考文獻]

[1]鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程，2005（2）：32-34.

[2]楊忞婧.地面三維激光掃描儀的測量誤差分析[J].東華理工大學學報（自然科學版），2013（2）：228-232.

[3]李海泉，楊曉峰，趙彥剛.地面三維激光掃描測量精度的影響因素和控制方法[J].測繪標準化，2011（1）：29-31.

[4]李佳龍，鄭德華，何麗，等.目標顏色和入射角對Trimble GX掃描點云精度的影響[J].測繪工程，2012（5）：75-79.

[5]王俊杰.三維激光掃描數據采集誤差來源及精度分析[J].科協論壇，2011（5）：97-98.

[6]李英成，文沃根，王偉.快速獲取地面三維數據的LIDAR技術系統[J].測繪科學，2002（4）：35-38.

[7]齊立哲，湯青，王京，等.機器人三維激光掃描視覺系統標定誤差[J].城市勘測，2016（2）：93-96.

（編輯 王永超）

Research on scanning accuracy of 3D scanning technology

Han Yumeng

（Guidaojiaotong Polytechnic Institute， Shenyang 110023， China）

Abstract：With the development of science and technology， 3D scanning is more and more widely used. 3D scanning is mainly used to obtain the 3D coordinates of the surface of the object by scanning the structure and contour of the object. In scanning， 3D laser scanner is used to quickly obtain the 3D coordinate cloud data of the external surface of the scanning target， and then the 3D model of the object is reconstructed by modeling software. Some large complex parts， manual size measurement has some difficulty， which can be measured by laser 3D scanner. At the same time， 3D laser scanner can also be used in complex working environment. However， there will be various factors in the scanning process， which may lead to errors， which will affect the modeling， resulting in a large deviation between the constructed model and the solid model. Therefore， improving the scanning accuracy is of great significance for 3D scanning.

Key words：3D laser scanning; error analysis; improving accuracy

作者簡介：韓雨萌（1990— ），女，遼寧葫蘆島人，助教，碩士;研究方向：機械工程。