1 三維激光掃描技術(shù)簡介
1.1 三維激光掃描儀原理 三維激光掃描儀主要由激光發(fā)射器、接收器、時間計數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、彩色CCD相機(jī)、控制電路板、微電腦和軟件等組成。激光脈沖發(fā)射器周期地驅(qū)動激光二極管發(fā)射激光脈沖，由接收透鏡接受目標(biāo)表面后向反射信號，產(chǎn)生接收信號，利用穩(wěn)定的石英時鐘對發(fā)射與接收時間差作計數(shù)，最后由微電腦通過軟件，按照算法處理原始數(shù)據(jù)，從中計算出采樣點的空間距離;通過傳動裝置的掃描運動，完成對物體的全方位掃描;然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理從而獲取目標(biāo)表面的點云數(shù)據(jù)。同時，彩色CCD相機(jī)拍攝被測物體的彩色照片，記錄物體的顏色信息，采用貼圖技術(shù)將所攝取的物體的顏色信息匹配到各個被測點上，得到物體的彩色三維信息。
1.2 應(yīng)用領(lǐng)域 三維激光掃描系統(tǒng)在測繪領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，除此以外，它還廣泛用于概念設(shè)計仿真、交通事故現(xiàn)場勘測、森林計測、虛擬設(shè)計制造、電腦模擬實戰(zhàn)、學(xué)術(shù)科研、汽車制造醫(yī)學(xué)研究與臨床診斷治療等領(lǐng)域。
2 三維激光掃描采集方案
2.1 現(xiàn)場踏勘與定點 為了獲得地理場景的三維完整信息，需要多測站多角度對場景進(jìn)行掃描。一般可根據(jù)實地情況布置4-10個站點，并且為了以后的點云配準(zhǔn)，要合理安排標(biāo)簽的位置和數(shù)量。根據(jù)地形條件和測量的具體條件來計劃掃描的路線和測站點的位置;然后到實地勘測，查看所計劃的路線和導(dǎo)線點位置是否合適;并把改動計劃在圖上標(biāo)明。若測區(qū)沒有現(xiàn)成的地形圖或者測區(qū)范圍不大，可以實地勘察、選擇路線的同時確定測站點。為了把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大地坐標(biāo)系，需要使用全站儀同時測量。應(yīng)通過全站儀獲取在大地坐標(biāo)系下標(biāo)簽的坐標(biāo)，這樣在拼接后就可通過標(biāo)簽把所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大地坐標(biāo)系中。
2.2 實施掃描 在具體從某一方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行掃描時，應(yīng)從掃描儀視野范圍中圈選出被掃描物體，這樣做一是減少噪點，二是減少掃描時間，提高效率。因為掃描距離越遠(yuǎn)，掃描時間越長，像天空這樣的無限遠(yuǎn)距離會降低工作效率，不應(yīng)納入掃描范圍。點云的密度取決于激光點位間隔，對樓體細(xì)節(jié)較多的建筑應(yīng)采用1cm激光點位間隔掃描，墻體平滑的部分可采用2cm及以上間隔。另外，掃描區(qū)域周圍的人流也會產(chǎn)生噪點，掃描后應(yīng)及時觀察點云以確定是否需要補(bǔ)掃或重復(fù)掃描。掃描完成后，還要對掃描區(qū)域進(jìn)行拍照，獲取色彩和紋理信息。當(dāng)掃描儀自帶攝像頭像素太低不能滿足貼圖要求時，要用高像素數(shù)碼相機(jī)手動補(bǔ)拍。照片可作為該區(qū)域建模后的貼圖使用，也可為多站拼接提供參考。
3 點云數(shù)據(jù)處理與建模
3.1 點云的預(yù)處理 由于掃描過程中外界環(huán)境因素對掃描目標(biāo)的阻擋和遮掩，如移動的車輛、行人樹木的遮擋，及實體本身的反射特性不均勻，需要對點云經(jīng)行過濾，剔除點云數(shù)據(jù)內(nèi)含有的不穩(wěn)定點和錯誤點。實際操作中，需要選擇合適的過濾算法來配合這一過程自動完成。
3.2 點云配準(zhǔn) 使用控制點配準(zhǔn)，將點云配準(zhǔn)到控制網(wǎng)坐標(biāo)系下;靶標(biāo)缺失的點云，利用公共區(qū)域?qū)ふ彝c對其進(jìn)行兩兩配準(zhǔn)，當(dāng)同名點對不能找到時，利用人工配準(zhǔn)法。后兩種方法均為兩兩配準(zhǔn)，為了將所有點云轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的控制網(wǎng)坐標(biāo)系下與控制點配準(zhǔn)法得到點云配在一起，兩兩配準(zhǔn)時要求其中一站必須為已經(jīng)配到控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的點云。
3.3 點云拼接 外業(yè)采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至軟件時會根據(jù)坐標(biāo)點自動拼接，但由于人為操作和角架的誤差，一些點云接合處不太理想，這時需要進(jìn)行手動拼接，對一些無坐標(biāo)補(bǔ)掃面的拼接也需手動處理。手動拼接時對點云應(yīng)適當(dāng)壓縮，選擇突出、尖角、不同平面的特征點，以降低操作誤差。如采用1cm激光間隔掃描時拼接后的誤差在3mm以下較為理想。
3.4 建立三維模型 當(dāng)建筑物數(shù)字化為大量離散的空間點云數(shù)據(jù)后，在此基礎(chǔ)上來構(gòu)造建筑物的三維模型。
3.5 點云的漏洞修復(fù) 由于點云本身的離散性，會導(dǎo)致模型存在一定缺陷，需要在多邊形階段對其進(jìn)行修補(bǔ)、調(diào)整等操作后，才能得到準(zhǔn)確的實物數(shù)字模型。由于建筑物形狀復(fù)雜多樣，所以目前網(wǎng)格的修補(bǔ)難以實現(xiàn)全自動化。點云數(shù)據(jù)的漏洞修復(fù)主要采用兩種方法:當(dāng)空洞出現(xiàn)在平面區(qū)域內(nèi)，比如窗戶或者墻面上的洞，可采用線性插值的方法填補(bǔ)空洞數(shù)據(jù);當(dāng)空洞出現(xiàn)在非平面區(qū)域，如圓柱上出現(xiàn)的漏洞，可采取二次曲面插值方法。
4 結(jié)論
通過對三維激光掃描儀的研究，分析利用點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維空間模型的技術(shù)方法和過程，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了場景的三維可視化仿真顯示。探索了基于點云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物三維建模的方法，初步試驗表明該方法可以應(yīng)用于城市建筑物的三維建模，是“數(shù)字城市”建設(shè)較為現(xiàn)代的技術(shù)手段。另外，獲取的建筑物表面的三維點云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量龐大，如何管理和處理海量數(shù)據(jù)，并且保證數(shù)據(jù)在處理過程中精度不受損失仍然亟待解決，是下一步研究的重點和難點問題。
該客戶是一家專業(yè)從事鑄件加工的企業(yè)，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)加工效率，客戶希望使用先進(jìn)的測量手段進(jìn)行測量，并完成CAD數(shù)模的創(chuàng)建。測量工件如下圖。
客戶之前一直用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量，但是效率不高， 后來經(jīng)過朋友介紹，了解到可以通過三維掃描、逆向工程手段得到CAD數(shù)模。
我們使用CREAFORM HandySCAN BLACK Elite進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，它的藍(lán)色激光可以更好的采集工件的細(xì)節(jié)特征，它的測量速度高達(dá)130萬次每秒，可以更高效的完成數(shù)據(jù)的采集。掃描數(shù)據(jù)可以直接用于快速成型和FEA有限元分析，或者結(jié)合三維設(shè)計軟件，完成三維掃描逆向設(shè)計，為批量生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。
1.連接設(shè)備，貼定位標(biāo)點，采集工件表面的三維數(shù)據(jù)。
掃描數(shù)據(jù)
2.根據(jù)掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建CAD模型。
逆向建模結(jié)果
3.分析掃描數(shù)據(jù)和CAD模型的偏差。
檢測逆向結(jié)果
CREAFORM手持式三維激光掃描儀可以高效地測量出工件的三維數(shù)據(jù)，方便我們對成型工件CAD數(shù)模的重建，解決了制造業(yè)關(guān)鍵的工業(yè)設(shè)計難題。三維掃描技術(shù)大大提升模具生產(chǎn)水平和機(jī)械制造水平。
1、精確性、可靠性、分辨率
不論測量安裝質(zhì)量以及用戶經(jīng)驗如何，HandySCAN 3D 始終可實現(xiàn)精 確測量，同時提供高分辨率和可追蹤結(jié)果。以動態(tài)參考為特點，掃描儀和部件都可在測量期間移動，且可以確保掃描精確、高質(zhì)量。
• 精度：0.025 mm
• 體積精度：0.020 + 0.040 mm/m (0.0008 in + 0.0005 in/ft)
• 驗收測試依據(jù)：VDI/VDE 2634 第3部分ISO 17025 認(rèn)證實驗室
• 細(xì)節(jié)高分辨率
2、便攜性
本手持式 3D 掃描儀是一款獨立操作的設(shè)備，無需使用三腳架或外部跟蹤設(shè)備即可操作可裝入小型手提箱、隨處攜帶、在任何環(huán)境條件下 使用，性能不會受到影響。
• 輕量：0.94 kg (2.1 lb)
• 自定位和動態(tài)參考
• 可裝入手提箱
• 將其帶到任何所需的地方
3、更快的 3D 掃描流程
HandySCAN 3D 掃描儀以多條激光十字線和自動網(wǎng)格生成為特點，可實現(xiàn)從安裝、掃描到存檔的快速工作流。
• 直接可用的文件
• 高測量速率：高達(dá) 1,300,000 次測量/秒
• 11條激光十字線，掃描區(qū)域廣
• 快速安裝：安裝運行可在2分鐘內(nèi)完成
鋼筋掃描儀，主要用于工程建筑混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋分布、直徑、走向，混凝土保護(hù)層厚度質(zhì)量的檢測。
鋼筋掃描儀能夠在混凝土的表面測定鋼筋的位置、布筋情況、測量混凝土保護(hù)層厚度、鋼筋直徑等。
除此之外，鋼筋掃描儀還可以對混凝土結(jié)構(gòu)中的磁性體及導(dǎo)電體的位置進(jìn)行檢測，如墻體內(nèi)的電纜、水暖管道等，施工前的探測可以有效避免施工中對這些設(shè)施的損壞，減少意外的發(fā)生。
鋼筋掃描儀是施工過程監(jiān)測和質(zhì)量檢驗的有效工具。
鋼筋掃描儀的維護(hù)及保養(yǎng)
1.定期對鋼筋掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，并存檔調(diào)校記錄，指定專人負(fù)責(zé)儀器校準(zhǔn);
2.每月按指定項目對鋼筋掃描儀進(jìn)行維護(hù),記錄每次檢查維護(hù)的項目是否正常;
3.對于在使用過程中發(fā)現(xiàn)問題的，測試人員應(yīng)即時通知鋼筋掃描儀維護(hù)人員,并上報上級主管，告知儀表故障現(xiàn)象和產(chǎn)生相應(yīng)問題的原因;
4.按規(guī)定定期將鋼筋掃描儀送到標(biāo)準(zhǔn)計量部門進(jìn)行校準(zhǔn);
5.每月為鋼筋掃描儀做一次清理工作，由于儀器的原廠家規(guī)定沒有原廠家的同意不得擅自拆開儀器。
因此，清洗的對象主要為鋼筋掃描儀的外殼和表面，建議采用酒精擦洗，注意不要將酒精流入儀器內(nèi)部。
清洗完后，用干凈的干布吸干附在儀器表面的液體。保持儀器的清潔和干燥;
6.鋼筋掃描儀放置的位置需滿足以下條件：周邊不存在腐蝕性的氣體;周邊不存在直射的光線;清潔的環(huán)境;儀器放置的位置平整;
7.鋼筋掃描儀用完以后，用布套將其罩住，以防細(xì)小灰塵進(jìn)入儀器、儀表內(nèi)部;
8.每次使用完后，應(yīng)拔掉鋼筋掃描儀電源接頭;
9.運輸或測試過程中，應(yīng)防震和防水;
10.鋼筋掃描儀不能隨意拆卸和調(diào)整可調(diào)元件。
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