激光掃描表面特征的點云數(shù)據(jù)處理方法

劉博源++陸明剛++闞文濤

摘要：

為了提高激光測量系統(tǒng)對工件表面特征的測量精度，減少數(shù)據(jù)處理中由于特征點云擬合選擇對測量精度的影響，針對比較常見的兩種表面特征提出了正確的擬合方式。從工件表面的實測數(shù)據(jù)出發(fā)，經(jīng)過多次實驗，結(jié)合表面測量特征的擬合原理，分析不同點云處理方法之間的差異，并給出了最適合該特征的擬合方式及其原因。實驗表明，不同的點云擬合方式對特征測量的影響比較大，選擇正確的擬合方式才能保證測量的準確性。

關鍵詞：

激光測量； 點云； 擬合

中圖分類號： TH 124 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.01.009

Data processing method of laser scanning surface feature′s point cloud

LIU Boyuan， LU Minggang， KAN Wentao

（School of Mechatronic Engineering and Automation， Shanghai University， Shanghai 200072， China）

Abstract：

In order to improve the surface accuracy of laser measurement system and reduce the influence of data processing due to cloud fitting feature point selection on the measurement，this article puts forward a correction method of fitting according to the common characteristics. This paper， starting from the actual laser measurement， includes many experiments and fitting principle， and analysis of the difference between the different point cloud processing method， and gives the most suitable fitting method for the characteristics and reason. The experimental results show that the influence of point cloud fitting on the characteristics of measurement is relatively significant.Thus，the correction method is required to ensure the accuracy of the measurement.

Keywords： laser measurement； point cloud； fitting

引 言

傳統(tǒng)幾何測量技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已形成了一套規(guī)范的測量操作和檢驗規(guī)程，然而較為新穎的激光式表面輪廓測量技術(shù)及應用目前還沒有形成相關的規(guī)范，也沒有形成相關的知識體系[1]。目前，激光表面測量技術(shù)的主要步驟為：首先導入數(shù)模；然后通過激光掃描儀采集點云，建立坐標系，擬合特征；最后輸出測量報告。其中擬合特征中的點云處理在整個測量過程中起著至關重要的作用，它將采集到的點云變成我們需要的特征參數(shù)，正確的擬合處理可以令測量精度進一步提高 [2]。在實際的測量過程中，工作人員往往依照供應商所給出的參考擬合方法對特征進行處理。但經(jīng)過實際對比發(fā)現(xiàn)，參考擬合方式未必與實際測量結(jié)果最接近。本文根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行處理，歸納出兩種常見表面特征的擬合方法，為確定同類特征點云擬合方式提供一種思路。

1 激光輪廓測量原理

激光輪廓測量的設備為三維激光掃描儀，它的原理如圖1所示。從半導體激光器發(fā)出激光，經(jīng)過柱面鏡后形成激光面，投射到被測物表面，形成光條，并被CCD攝像機接收。掃描頭移動時，光條的間斷與形變反映了物體的表面深度變化。由于被測物表面上的點與攝像機接收平面上的像點成對應關系，可以計算出被測點的坐標值，由此可得到表面輪廓。此類測量頭所采集到的信息為二維圖像信息，若想得到三維的測量信息，還需要在此基礎上進行二維坐標與三維坐標的轉(zhuǎn)換計算 [34]。

2 平面與平面圓擬合原理

2.1 平面擬合原理

由此得到平面圓的半徑與圓心[7]。

3 激光掃描表面特征的過程與數(shù)據(jù)處理

3.1 實驗器材及過程

實驗用測量機為Romer 七軸絕對關節(jié)臂，掃描用激光頭每秒發(fā)射60條激光，數(shù)據(jù)處理軟件為polyworks v12.1。攝像機參數(shù)為：工作距離100 mm，景深110 mm，分辨率0.013 7 mm，精度0.024 μm。

激光式表面特征測量過程：首先將理論數(shù)字模型導入軟件作為理論數(shù)據(jù)，再通過激光頭對工件表面的掃描得到雜亂無章狀態(tài)的點云；然后在獲得的點云上建立坐標系，可以用掃描的點云擬合成特征，建立坐標系，也可以用硬測針采集數(shù)據(jù)，擬合成特征，建立坐標系，通過建立好的坐標系將采集到的點云數(shù)據(jù)與理論模型進行對齊；最后將采集到的點云進行處理，包括點云去噪、點云精簡、點云匹配、誤差剔除等，再選擇適當?shù)膮?shù)與擬合方法將所需要特征擬合出來。

實驗過程中的過濾采用了軟件預設的默認過濾，經(jīng)過測試不同過濾指數(shù)對數(shù)據(jù)的影響發(fā)現(xiàn)：默認過濾出的數(shù)據(jù)最能反映真實情況，而且離散值小，穩(wěn)定性好。由于實驗涉及的特征為平面和平面上的圓，通過之前的實驗可知，這兩種特征是否添加投影平面對測量結(jié)果的影響不大，因此都未添加投影平面。

3.2 表面特征擬合結(jié)果

3.2.1

平面

實驗結(jié)果ΔX，ΔY，ΔZ為三個坐標方向上的位置偏差，其數(shù)值為30次激光測量結(jié)果減去30次硬測針測量結(jié)果（硬測針測量結(jié)果精度高，實驗中假定為真值）。表1為不同擬合方法擬合平面與硬測針測量數(shù)據(jù)比較。

由平面幾何原理可知，在三種擬合方式中高斯擬合最能反映工件的實際狀態(tài)，但是高斯擬合是假設x、y為獨立變量，不含誤差，而z為依賴變量，包含誤差的情況下解得平面參數(shù)，而在實際獲取點云的時候，x、y、z三個方向必然都存在誤差，使結(jié)果與假設不符合。因此嚴格來說高斯擬合法不適合平面的擬合[4]。經(jīng)實際測量的結(jié)果相互比較后可知，擬合方式為最大擬合的平面質(zhì)心最接近硬測針測量值。

3.2.2

平面上的圓

表2為不同擬合方法擬合平面上的圓與硬測針測量數(shù)據(jù)比較。

圓的擬合精度與測量值精度、數(shù)據(jù)量及擬合算法都有直接的關系，傳統(tǒng)的測量機無法識別特征邊界，

導致圓特征的擬合是先掃描圓周圍所有特征，再用最小擬合的辦法抽取特征，由于傳統(tǒng)方法參與計算的

點云數(shù)量少，使得到的圓不精確?，F(xiàn)代測量機可以識別特征邊界，如圖2中高亮部分為測量系統(tǒng)自動識別的特征邊界，有效解決了參與計算的點云數(shù)量少與擬合方法單一的問題。

不同擬合方法與硬測針對比后可得：雖然擬合方法對位置影響不大，但是擬合方式為高斯擬合的直徑最接近硬測針數(shù)據(jù)，故平面上的圓選擇高斯擬合。

4 結(jié) 論

通過兩種特征同一片點云不同的處理方式之間比較，我們可以發(fā)現(xiàn)：不同的特征用不同的處理方法擬合出來的數(shù)據(jù)存在差別；每一種特征有不同的擬合特性，與供應商提供的方法存在差異，必須通過一定量的實驗方能發(fā)現(xiàn)規(guī)律，找到最適合該特征的擬合方式，從而在數(shù)據(jù)處理方式上減少測量誤差。

參考文獻：

[1] 李明，李娜，費朋偉，等.綜合受力變形的薄壁零件公差設計與分析[J].機電一體化，2013（11）：4347.

[2] 聶恒衛(wèi).基于激光測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究[D].無錫：江南大學，2006.

[3] 丁建軍，蔣莊德，李兵，等.線結(jié)構(gòu)光掃描測頭誤差分析與補償方法[J].西安交通大學學報，2008，42（3）：286290.

[4] 閆航瑞，熊志勇.表面傾斜對激光三角測量的影響及校正研究[J].光學儀器，2014，36（1）：1114.

[5] 官云蘭，程效軍，施貴剛.一種穩(wěn)健的點云數(shù)據(jù)平面擬合方法[J].同濟大學學報（自然科學版），2008，36（7）：981984.

[6] 王峰，丘廣新，程效軍.改進的魯棒迭代最小二乘平面擬合算法[J].同濟大學學報（自然科學版），2011，39（9）：13501354.

[7] 田社平，張守愚，李定學，等.平面圓圓心及半徑的最小二乘擬合[J].實用測試技術(shù)，1995（5）：2325.

（編輯：劉鐵英）