三维立体扫描技术

三维立体扫描技术

曾经看过一部好莱坞科幻大片《异形》中，有这样的场景：在外星球上，勘探人员在进入未知洞穴之前，先释放一个可控制飞行状态的球状飞行器，飞入洞穴中，球状飞行器机体上有一圈的激光发射器，发射激光照射到洞穴内壁上，然后计算得知洞穴内壁的轮廓数据，无线传送至终端形成全息影像，供勘探队员了解分析其中的轮廓，用来避免其中的未知的危险。这其中就运用到了三维立体扫描技术。

三维立体扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，通过测量空间物体表面点的三维坐标值，得到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接处理的三维模型，又称为“实景复制技术”。该项技术是集光，机，电和计算机于一体的一项高新技术。此技术作为获取空间数据的有效手段能够快速的获取反映客观事物实时动态变化，真实形态特性的信息。三维立体扫描仪就是针对三维信息领域的发展而研制开发的计算机输入信息的前端设备，只需对任意实际物体进行扫描就能在电脑上得到实物的三维图像和物体的真实色彩。三维扫描仪分为两大类：接触式与非接触式。接触式有三坐标测量机，铣削测量机；非接触式有激光扫描仪，照相式扫描仪，CT断层扫描仪。

三维立体扫描技术的发展历程：

第一代：

接触式测量又成为机械测量，这是目前应用为广泛的自由曲面三维模型数字化的方法之一。三坐标测量机是接触式测量仪中的典型代表，它是以精密机械为基础，综合运用了电子技术，计算机技术，光学技术和数控技术等先进技术。根据测量传感器的运动方式和触发信号的产生方式不同，一般将接触式测量方法分为单点触发式和连续扫描式两种。三坐标测量机的测量传感器的主要形式为各种不同直径和形状的探针，当探针沿着被测物体表面运动时，被测表面的反作用力使得探针发生形变，这种形变触发测量传感

器将测出的信号反馈给测量控制系统，经过计算机进行相关的处理得到所测量点的三维坐标。其特点是：适用性强，精度高，不受物体光照和颜色的限制;适用于没有复杂型腔，外形尺寸较为简单的实体测量；由于采用接触式测量，可能会损伤探头和被测物表面，也不能对软质物体进行测量，应用范围受限制，切测量前需要规划测量路径，测量速度慢，效率低；目前还需要人工干预，不可实现全自动测量；接触式测量的扫描路径不可能遍及被测曲面的所有点，获取的只是关键特征点，因而测量结果往往不能反映整个零件的形状。三坐标测量机就是第一代三维立体扫描技术的典型代表，特点是逐点扫描，速度慢。

第二代：

第二代三维立体扫描技术的代表是三维激光扫描仪。二代技术的普遍特点逐线扫描，速度仍然比较慢。三维激光扫描仪是现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理，以计算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速的发展，各种各样的新型测量方法不断产生，它们具有非接触，无损伤，高精度，高速度以及易于在计算机控制下实现自动化测量等一系列的特点，已经成为现代三维面形测量的重要途径和发展方向，而三维激光扫描仪在非接触式扫描中占据着非常重要的角色。三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为单点扫描仪，线列扫描仪和三维扫描仪。而按照工作不同原理来分类，可分为脉冲测距法和三角测量法。脉冲测距法：激光扫描仪是由激光发射体向物体在时间t1发送一束激光，由于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收器在时间t2接收到反射激光，有光速C，时间t1,t2计算出扫描仪与物体之间的距离d=(t1-t2)c/2。用该方式测量近距离物体的时候，就会产生很大的误差，所以相位法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合近景扫描。三角测量法：三角测量法的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或

者反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度。然后结合已知激光光源与CCD之间的基线长度d，经过三角形几何关系推求出扫描仪与物体之间的距离L。三角测量法的特点：结构简单，测量距离大，抗干扰，测量点小，测量准确度高。但是会受到光学元件本身的精度，环境温度，激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面的特征因素的影响。

三维激光扫描仪的特点：

1，非接触式测量

即对扫描目标物体无需进行任何的表面处理，直接采集物体表面的三维数据，可以用于解决危险目标，环境及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。

2，数据采样率高

目前，采用脉冲激光或者时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可以达到数千点每秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点每秒。

3，主动发射扫描光源

即激光，通过探测本身发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息，因此在扫描过程中不受扫描环境的时空约束进行测量。

4，高分辨率，高精度

三维激光扫描技术可以快速，高精度的获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。

5，数字化采集，兼容性好

三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理和输出。能够与其它常用软件进行数据交换及共享。

6，可以与外置数码相机，GPS系统配合使用

这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，使对信息的获取更加全面，准确。

外置数码相机，可增强彩色信息的采集；结合GPS定位系统，可进一步提高测量数据的准确性。

第三代：

第三代扫描技术的典型代表是三维照相式扫描仪，具有面扫描和速度快的特点。三维光学扫描仪按照其原理分为两类，一种是“照相式”，一种是“激光式”，两者都是非接触式，也就是说，在扫描的时候，这两种设备均不需要与被测物体接触。“激光式”扫描仪属于较早的产品，由扫描仪发出一束激光光带，光带照射到被测物体上并在被测物体上移动时，就可以采集出物体的实际形状。“激光式”扫描仪一般要配备关节臂.

“照相式”扫描仪是针对工业产品涉及领域的新一代扫描仪，与传统的激光扫描仪和三座标测量系统比较，其测量速度提高了数十倍。由于有效的控制了整合误差，整体测量精度也大大提高。其采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工作表面，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短时间内获得复杂工作表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达12M，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可用于汽车制造业中的产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工。三维照相式扫描仪的工作原理：采用结构光技术，相位测量技术，计算机视觉技术的三维非接触式测量方式，测量时光栅装置投射数幅特定编码的结构光线到待测物体上，成一定夹角的两个或者多个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行相位和解码计算，并利用匹配技术，三角形测量原理，解算出两个或者多个工业相机公共视场内物体表面像素点的三维坐标。其特点是一次测量一个面，扫描速度极快，数秒内可得到100多万点便携，可搬到现场进行测量，工件或测量头可随意调节成便于测量的姿势，大景深（可达300~500mm) ，测量范围大，精度高，测量点分布非常规则，大型物体分块测量、自动拼合。

三维扫描技术国内外发展现状：

国外发展现状：

三维扫描技术国外起步较早，技术已经比较成熟。

1.1994年，M.levoy和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率的色彩图像获取

并重建了Michelangelo的主要雕塑作品，并提出了一系列的相关技术。

2.1997年，加拿大NRC（National Research Council）的El-Hakim构建了自己的硬件平

台，他们将激光扫描仪和CCD照相机固定在小车上，得到了一个数据采集和配准系统DCR，并与1998年在原有系统的基础上实现了一个室内场景的三维建模系统；

3.2001年，Y.YU等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实物提取出来，并对物

体的三维模型提供了编辑和一定功能；

4.2002年，I.Stamos和P.K.Allen实现了一个完整的系统，该系统能同时获得室外大型

建筑的深度图像和彩色图像，并最终会付出建筑物具有照片真实感的三维模型；5.除此之外，Fruh等人使用2D激光扫描仪、数码照相机并同时借助航空图像和航空激

光扫描数据恢复了建筑物屋顶带有色彩的集合模型，得到了更为完整的街区三维模型。

国内发展现状：

国内对于三维激光扫描重建技术的研究齐步比较晚，但是也在部分领域取得一定的成果。自2000年起至今，北京大学的三维视觉与机器人实验室使用具有不同扫描特性的激光扫描仪、全方位摄像系统与高分辨率照相机完成了建模对象几何与纹理的采集并通过这些数据的配准与无缝拼接完成了三维物体模型的建立；2005年，首都师范大学三维空间信息获取与地学应用教育部重点实验室给出了一种基于激光扫描数据的室外场景表面重建方法，该方法可以完成建筑物单一表面的重建。目前国内外对于三维激光扫描技

术的研究均受到复杂场景的几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件、复杂的地形以及不规则的未知遮挡物等限制，因此如何快速而又精确的扫描出复杂的三维物体仍是研究该技术的关键。

三维激光扫描技术的应用：

三维激光扫描技术的应用面非常宽广。在诸多领域如：逆向工程、数据可视化、计算机辅助设计、虚拟现实环境、数字文物、数字博物馆、数字考古、地形勘测、犯罪现场检测、数字城市、城市规划、数字娱乐(游戏、动画、电影)等，均有广泛的应用。

（一）逆向工程

一、产生的背景

逆向工程思想是二战之后提出来的，进入九十年代，该技术引起了各国工业界的高度重视。作为一门比较新的技术，凭借其有效的缩短产品开发周期的特性和强大的成本优势，已逐渐被个领域所接受和推广。由于它和传统设计方式相比所具有的多方面优势，在汽车、冲压模具、注塑模具、航空等领域逐渐成为了产品开发的主流方法。

二、逆向工程的定义

逆向工程(Reverse Engineering，简称RE),也称反求工程，反向工程。起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。在一般工程技术人员的概念中，产品设计过程是一个“从无到有”的过程，即设计人员首先根据用户给定的性能要求确定方案，构思产品的整体外形和结构，然后确定大致的技术参数，再通过各种软件绘制产品的二维或三维CAD模型，最终将这个模型转入到制造流程中，从而完成整个产品的设计制造周期。我们称这样的产品设计过程为“正向设计”过程，它是由未知到已知，由想象到现实的过程。

逆向工程的产品设计过程刚好与此相反，是一个“从有到无”的过程。首先从己有的实物或产品样件出发，通过先进的数字测量手段反向获取产品的外形数据，然后利用各种造型软件由点云数据重构出该产品的CAD模型，经过不断的修改后，形成图纸或可快速成形制造的CAD模型，最后转入加工制造或快速成形过程。逆向工程是对己有产品进行分析、改进和再创造的过程，是对已有设计的再设计。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程，是从数据采集、数据处理到常规CAD/CAM系统应用的多系统的融合过程。

三、逆向工程的应用

①飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发，在产品的空气动力学性能和美学设计显得特别重要的领域。

②由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经常要对已有的构件做局部修改的领域。

③在缺乏二维设计图样或原始设计参数情况下，需要将实物零件转化为计算机表达的产品数字化模型，以便充分利用现有的计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）等先进技术，进行产品创新设计。

④某些大型设备，如航空发动机、气轮机组等，经常因为某一零件的损坏而导致整机停止运行。通过逆向工程技术，可以快速生产这些零部件的替代零件，从而提高设备的利用率并延长使用受命。

⑤一些特殊领域，如艺术品、考古文物的复制、医学领域中人体骨骼及关节等的复制、假肢制造等。

四、国内外研究现状

在国内的科研领域里，上海交通大学、西安交通大学、华中理工大学、广东省机械研究所、天津大学等科研机构都对逆向工程技术进行了深入地研究。国内的一些专家学者对于逆向工程及形位误差检测的理论与实际应用进行了深入细致地探讨，研究了测量过程中测点的自适应分布、测量路径的优化；提出了基于点的ICP算法，解决了逆向工程中任意多视点云的拼合问题；提出了基于最小二乘法、牛顿迭代法和遗传算法等来解决检测问题中的采样测量点与设计模型的匹配问题；针对有序离散点，提出了二次的曲面重构方法；结合测量数据结构的异同，介绍了各种计算机建模技术，并且指出它们在工程中各自的适用范围。

逆向工程测量规划与重建技术领域内的研究，在国外已形成一定规模，并具有相当的深度。一些重要的国际与国内的学术会议都将逆向工程及相关技术讨论作为一个重要的会议专题。

1998年全球反求工程技术系统加工中心达到331个，拥有快速成型机660台套，同时有27个快速成型设备制造公司，12个大的材料供应商，15个专业软件公司，再加上从事该项目的51个教育和科研机构以及227个提供赞助的基金会以及大量的激光设备应用者和真空铸造机制造者，形成了一个强大的集成体。在经过了初期50%的高速增长后，世界快速制造业正步入稳定增长期，年增长率保持在17%左右

目前与逆向工程相关的主流软件有：

美国Imageware公司的Surfacer；

美国Raindrop Geomagic公司的Geomagic Studio；

DELCAM公司的CopyCAD；

韩国INUS Technology公司的Rapidform；

PTC公司的ICEMSurf。

五、逆向工程的发展趋势

1)发展面向逆向工程的专用测量系统，使之能高速、高精度地实现实物数字化，

并能根据样件几何形状和后续应用选择测量方式及路径，能进行路径规划和自动测量。

2)研究适应不同的测量方法和后续用途的离散数据预处理技术。

3)拟合曲面应能控制曲面的光顺性和进行光滑拼接

4)有效的特征识别和考虑约束的模型重建以及复杂组合曲面的识别和重建方法。

5)发展基于集成的逆向工程技术，包括测量技术、基于特征和集成的模型重建技术，

基于网络的协同设计和数字化制造技术等。

逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。比如，现在需要快速而精确的复制一个机械零件。首先通过三维激光扫描，获取其表面点云的三维数据信息，并由此信息在计算机中建立该物体的三维几何模型，并对该模型进行修正改进，进而开发出同类产品。当需要对零件设计进行修改的时候，只需对计算机中已经建立的三维模型进行修改，就可以获得同样的效果，大大提高了工作效率，缩短了工期。

应用范围：量化实景对象、三维信息采集、逆向三维重构、逆向三维建模、空间数据反求、对象逆程设计、预研仿研仿制、虚拟现实应用、正向工程反证、逆向工程实施、概念设计仿真、逆向制图还原、结构特性分析、试验工程仿真、后数据测量、目标形变监测、电脑模拟实战、环境适应仿真、工程力学分析、对抗模拟推演、企业无纸操作、虚拟设计制造、科目效果测试、整合三维资源、创建三维流程、工装工艺规划、改进改造工程、历史资源修复、任务方案优化、对象加载仿真、设施维护维修等。

（二）测绘，检测技术

20 世纪90 年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘、检测领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。

（三）VRML

VRML 是虚拟现实造型语言（Virtual Reality Modeling Language）的简称，本质上是一种面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML 的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的VR（虚拟世界）。现在流行于Internet 的VRML 技术如果没有足够的三维彩色模型，也只能是无米之炊，而三维扫描技术可提供这些系统所需要的大量的、与现实世界完全一致的三维模型数据。销售商可以利用三维扫描仪和VRML 技术，将商品的三维彩色模型放在网页上，使顾客通过网络对商品进行直观的、交互式的浏览。想象一下，随着技术的发展，未来的在网络上挑选衣服的时候，用户可以下载商品的三维模型，并“试穿”到自己的三维模型上，这样就可以足不出户的挑选最适合自己的衣服，商家也可以通过这种方式为客户提供个性化的服务。当然这一切的前提是，客户和商家都用三维激光扫描仪扫描了自身和货品，并通过VRML 建立了三维模型。

（四）文物保护

对于文物保护，三维扫描技术能以不损伤物体的手段，获得文物的外形尺寸和表面色彩、纹理，得到三维彩色拷贝。所记录的信息完整全面，而不是像照片那样仅仅是几个侧面的图像，且利用这些信息构建的模型便于长期保存、复制、再现、传输、查阅和交流，使研究者能够在不直接接触文物的情况下，甚至在千里之外，对其进行直观的研究，这些都是传统的照相等手段所无法比拟的。有了这些三维模型，也给文物复制带来

很大的便利。

目前，许多国家己将三维激光扫描技术用于文物保护工作。美国斯坦福大学利用三维扫描技术实施“数字化米开朗基罗”项目，计划将文艺复兴时期的这位意大利著名雕塑家的作品数字化。

欧洲的四家公司、三所大学、两座博物馆联合实施Archatour项目，其主要目标是以三维数字技术改进考古、旅游领域中的多媒体系统，而三维扫描重建是其中的关键一环。英国自然历史博物馆利用三维扫描仪对文物进行扫描，将其立体色彩数字模型送到虚拟现实系统中，建立了虚拟博物馆，令参观者犹如进入了远古时代。2001年10月，加拿大保护中国文物基金会也向我国文物局捐赠了一套Innovision公司生产的三维激光数字扫描仪，用于对正在建设的三峡水利工程的三峡库区的古建筑、遗址和出土文物进行立体扫描重建，大量记录文物和考古现场

三维立体扫描技术的发展趋势：

随着光、机、电及计算机等技术的进步，三维激光扫描仪必将向着扫描速度更快、精度更高、更轻便携带的方向发展。加之对所扫描对象没有限制的特性，三维扫描仪必将被应用于更广泛的领域。

测控技术与仪器1101班

1503110110 陈浩

2013年12月5日