三维扫描技术简介5-16

三维扫描仪，也称为三维立体扫描仪，3D扫描仪，是融合光、机、电和计算机技术于一体的高新科技产品，主要用于获取物体外表面的三维坐标及物体的三维数字化模型。该设备不但可用于产品的逆向工程、快速原型制造、三维检测（机器视觉测量）等领域，而且随着三维扫描技术的不断深入发展，诸如三维影视动画、数字化展览馆、服装量身定制、计算机虚拟现实仿真与可视化等越来越多的行业也开始应用三维扫描仪这一便捷的手段来创建实物的数字化模型。通过三维扫描仪非接触扫描实物模型，得到实物表面精确的三维点云（Point Cloud）数据，最终生成实物的数字模型，不仅速度快，而且精度高，几乎可以完美的复制现实世界中的任何物体，以数字化的形式逼真的重现现实世界。

一、三维扫描技术简介

三维扫描技术（三维数字化技术）与传统的平面扫描和摄像技术不同，三维扫描的扫描对象不再是图纸、照片等平面图案，而是立体的实物。获得的不是物体某一个侧面的图像，而是其全方位的三维信息。其输出也不是平面图像，而是包含物体表面各采样点的三维空间坐标和色彩信息的三维数字彩色模型。根据三维扫描仪的性质、扫描参数和被测物体大小的不同，通过非接触式三维扫描仪扫描后得到的测量数据由几百点到几百万点不等，这些大量的三维数据点称为点云（Point Cloud），每一个三维数据点不仅包含该点的三维坐标信息，还包含色彩信息。

从三维数据点的采集方式上来看，三维扫描技术可分为接触式扫描和非接触式扫描两种。接触式三维扫描一般通过三坐标测量机的测头对实物模型进行直接接触得到被接触点的三维坐标，该方式测量精度较高，但是效率很低，并且难以测量曲面特征的流线型设计的零部件，因此在现代产品设计，产品反求工程领域基本不采用这种方式。利用光学原理非接触式扫描测量物体的方式兴起于90年代的欧美。早期的三维扫描设备多基于激光光源的三角法，根据光源的不同又可以分为点光源和线光源两种不同的方式。随着技术的不断进步，三维扫描又出现了以白光光源为基础的结构光三维扫描技术，该技术凭借扫描精度高，速度快，扫描范围大等显著优势，逐渐成为工业扫描测量领域的主导。

二、反求工程简介（Reverse Engineering）

反求工程在工业产品的设计制造中可以狭义的理解为在没有设计图纸或不全以及没有CAD模型的情况下，对零件原形或者样品模型进行测量，在此基础上重构出零件的设计图纸或CAD模型的过程。

反求工程（逆向工程）具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程。在传统的设计制造中，都是设计师按照零件最终所要承担的功能利用CAD软件（PRO/E,UG,CATIA,

SOLIDWORKS等）进行从无到有的设计,从概念设计到最终形成CAD模型是一个确定的明晰过程。而在反求工程中，按照现有的零件原形进行设计生产，零件所具有几何特征与技术要求都包含在原形中；从而注定了通过对现有零件原形数字化后在形成CAD模型的反求工程是一个推理，逼近的过程。

反求工程（逆向工程）一般可分为四个阶段：

第一步: 零件原形的数字化

采用三维扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。

第二步: 从测量数据中提取零件原形的几何特征

按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。

第三步: 零件原形CAD模型的重建

将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。

第四步: 重建CAD模型的检验与修正

采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的逆向工程设计要求。

一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域

的实际应用中，主要包括以下几个内容：

(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。

(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。

(3)损坏或磨损零件的还原。

(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。

逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要

而简洁途径之一。

三、三维扫描技术及反求工程应用

1.快速原型（Rapid Prototyping，RP），也叫快速成型，是80年代中期发展起来的一种崭新的原型制造技术。其出发点是通过快速制造设计样件，观察和验证所设计的零件在美学、外观及基本性能上是否达到设计要求。通过应用三维扫描技术，更能加速这一技术的发展，使现实当中的模型和数字化设计模型之间的转换变的可行简单。

2.工业产品设计

在工业产品设计制造中过程中，对外观的把握往往需要实物的验证，比如车身设计领域对汽车油泥模型的测量。在汽车设计中，油泥模型是一个很重要的环节，它把设计者的思路从草图或图纸转化成了实物模型在模型的制作过程中进一步完善设计者的意图，并且通过对油泥模型的评估、试验、检测来确定产品的设计。随着油泥模型的最终确定，对油泥模型测绘的准确与否成为后续开发的关键。传统的利用机械设备的测量方法不仅工作效率缓慢、测量步骤复杂，人为因素更是影响质量的关键因素。而利用三维光学扫描仪，采用先进的非接触测量方式，摆脱了行程的限制；极短的扫描时间，提高了工作效率；智能化的操作方式最大程度减少了人为因素的干扰，为用户提供了高精度、高密度的完整三维数据，从而为后续设计开发提供了准确优质的油泥模型三维数据，保证用户高效、优质地进行产品的设计开发。

3．工业产品的三维测量

汽车内饰件材料变形系数较大，只有在装车状态下的非接触测量才能真实反映内饰件的理想状态，由于三维光学扫描仪采用灵活的便携式设计和先进的标志点全自动拼接技术，因此对于汽车内饰件的测量就可以非常方便地进入车厢内部进行装车状态下的测量工作了。对于扫描结果也可方便的导入各种质量检测软件进行误差分析，如：Geom agic Qualify 或Polyworks中的精度检测模块都可以将测量获得的点云与原有的CAD 模型对齐后进行比较，可以快速直观的显示出被测物体与数模的每一处误差。

4．人体测量

三维光学扫描仪采用普通光源，对人体安全、无害，极短的扫描时间即可获取高精度的人体数据。弥补了激光扫描仪的缺陷。广泛应用于影视动画真人特效建模、人体工程学、服装非接触量体定制、制鞋行业扫描脚型和鞋楦等领域。

5．虚拟现实仿真与可视化

随着计算机信息技术的不断深入，诸如数字化博物馆，保护修复文物、网络虚拟展示等越来越多的领域开始应用三维扫描仪设备来完成手工建模难以完成的工作。三维光学扫描仪在大型文物的扫描在保护、大型虚拟现实景观建设方面发挥巨大作用。