便攜式3D激光掃描儀成像原理與三維重建

文/張仕林 馬創(chuàng) 張雨薇 王 雪，上海電機學院

便攜式3D激光掃描儀成像原理與三維重建

文/張仕林 馬創(chuàng) 張雨薇 王 雪，上海電機學院

現(xiàn)有的掃描儀存在體積較大、便攜性較差、掃描精度不高、定價不夠平民等諸多不足，本項目為此設計了一款集便攜性、高精度、性價比于一身的三維掃描魔盒以滿足大眾消費者的低成本、便攜式桌面級掃描需求，同時便于用戶的模型重建或3d打印。該掃描儀由8位微處理器ATmega328單片機控制，由羅技C270相機捕捉物體上激光線圖像，再傳送到PC端軟件進行處理和重建。

Arduino；激光掃描；三維重建

三維激光掃描技術(3D激光掃描技術)是一種先進的全自動高精度三維掃描技術,高精度三維建模和逆向工程重構會用到這項活復制技術。成千上萬,和數(shù)百萬。復雜的場景環(huán)境被它可以深入掃描,采集各種大型、復雜、不規(guī)則的數(shù)據(jù)到計算機,從而快速重構目標的三維云模型。此外,各種后處理,如測空、分析、仿真、測驗和投影的模擬顯示,如監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實[2]等。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)以Arduino Uno作為控制中心，利用線性激光和圖像傳感器進行數(shù)據(jù)的采集，以及使用圖像處理軟件進行拼接去噪，最終形成三維模型輸出。該設計由四大模塊構成，分別是：Arduino模塊、圖像采集模塊、激光掃描模塊和圖像軟件處理模塊

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)

整個硬件部分的架構我們采用模型3D打印套件與螺桿以及電機軸承鑲嵌加固的設計，先是根據(jù)主要的硬件架構模塊設計出合適的3D打印套件，然后由3D打印機打印出模型，并且用銼刀、電鉆等工具進行打磨，然后進行組裝，利用螺母，熱熔膠等固定工具將整個架構給固定好，使其達到堅固可靠的效果。

外觀部分我們采用了專門的定制的亞克力圓柱作為主體外觀，即內(nèi)徑22厘米，高8厘米，封底，以及另一個內(nèi)徑13厘米，高24厘米封底，才用打孔、螺絲固定、點熱熔膠等方式將Arduino模塊、圖像采集模塊、激光掃描模塊等一一固定在圓柱內(nèi)壁上，以保證整個硬件系統(tǒng)的一體性和耐久度，外層表面采用了先進的陽極氧化質感噴涂技術，使得整個硬件系統(tǒng)的外形，充滿現(xiàn)代科技的藝術氣息，螺絲外圍由墊板裁切粘合作為保護套，既保證的外觀的美觀性，又能保護螺桿不受侵蝕，即有極大的實用性。棱角與弧線的碰撞使得整個硬件系統(tǒng)內(nèi)斂又不失活力，質感足又不失科技感。

Arduino 主要由控制板與擴展板組成，Arduino Uno R3主要由ATmega328系列單片機和USB轉串口電路構成。8位微處理器ATmega328片內(nèi)包含32kb Flash2KB SRAM，1KB EEPROM，運行時鐘頻率為16MHz ,通過內(nèi)部預置的bootloader程序可以直接下載程序到Uno中。ATmega328單片機產(chǎn)生高電平信號傳輸?shù)讲竭M電機，步進電機開始帶動帶掃描物體運轉。羅技C270相機捕捉轉動物體上激光線圖像傳輸?shù)絇C端待用。

2.2 軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)設計的三維激光掃描技術流程如下：

（1）影像的配準

配準是將從幾個不同的站獲取的數(shù)據(jù)拼接在一起以產(chǎn)生單個坐標系的過程。通過指定獨立基站中的一個的位置和方向來確定初始坐標系。當拼接完成后，多個ScanWorlds將合并到一個新的ScanWorld。

（2）掃描輸出與后續(xù)加工

激光雷達技術的最直接的結果是整體距離圖像模型和三維重建模型。 圖像生成的結果包括原始模型，輪廓，特征和數(shù)據(jù)模型（包括三角測量，Nurbs，簡單幾何模型）。最終還可以制作彩色模型，輸出正射影像圖和三維模型。

（3）點云數(shù)據(jù)配準算法的概述

距離影像又稱點云，由無數(shù)具有灰度或彩色信息的空間點陣構成。在影像合并拼接或配準過程中，這種陣列形式可能被打亂，這時候距離影像中的點陣就變成散亂的點。

（4）三維重建與除噪聲

從高密度的點云數(shù)據(jù)進行掃描物體的重建儀提取需要的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理的重要部分，根據(jù)三維模型表示不同方式，點云數(shù)據(jù)的模型重建是三維點云數(shù)據(jù)表面的模型重建，主要構造網(wǎng)格（三角面片）逼近掃描物體表面。

3 實驗結果與分析

整個實驗過程分為三個階段：

3.1 連接硬件與參數(shù)調節(jié)

在標定之前我們需要把激光器和相機的參數(shù)調節(jié)到合適的狀態(tài)，主要是調節(jié)闕值、對比度、曝光等參數(shù)，攝像頭捕捉到的最清晰最明亮的畫面且使得畫面中出現(xiàn)彩線和細膩均勻的激光線條。

3.2 標定

通過軟件進行三個主校準的過程設置：

攝像機實況：相機的傳感器的標定和鏡頭。

可以在相機上調整的設置：亮度，對比度，飽和度，曝光，幀速率，分辨率和

3.3 掃描

3.3.1 平臺控制

掃描過程中有它自己的設置和調整的攝像頭，激光，電機和圖像處理算法和點云。

該設置可以手動調整使用此面板，他們分為以下內(nèi)容：

3.3.2 使用激光：

可以選擇左激光，右激光或兩者。如果使用兩個激光掃描時間更長，但兩倍的點會被掃描。使用兩個激光掃描的時間不是一個激光的兩倍。

3.3.3 快速掃描：

一個可供選擇的實驗選項。實際上它減少掃描時間的一半，而不影響分辨率。作為一個實驗選項，在掃描過程中可能出現(xiàn)一些錯誤

3.4 結果分析

實驗進行的是掃描杯子，所以只有側面和正上面的杯口可以看到，且由于杯子手柄部位會遮擋到激光的直射，所以掃描出的模型會有一個缺口，存在這一具體問題需要后期進行人工重建，以形成一個完整的，可以展示的模型。下面是實驗結果，即掃描完成后的三維模型。

易被掃描的物體應具備下列特征：

（1）表面為亞光處理，不易反光

（2）盡可能地為圓柱體或類似于圓柱體的物體

（3）表面盡可能地凸起，使激光經(jīng)過物體中心的線可以均勻有效地打在每一處表面的紋理上。

3.5 結論

綜合來講；整個軟硬件的設計與組裝方面有一定的創(chuàng)新性，其難點和重點就在于每次進行標定時候，由于受到光線明暗，光照對比度大小以及客觀的實驗場景的影響，其標定的成功率忽高忽低，，為此進行了嚴格的測試和反復的總結，設置好對光線影響寬容度最高的各項參數(shù)，最終實現(xiàn)對物體三維數(shù)據(jù)的具體掃描掃描[4]。

[1]鄭德華,沈云中,劉春,等.三維激光掃描系統(tǒng)測量方法與前景展望[D].長春,長春理工大學,2015．

[2]郭琳娜,張吉平,柳永全,等.利用地面三維激光掃描技術進行地形測繪[J].中國科技論文，2015．

[3]楊航,徐松戰(zhàn),等.基于三維激光掃描的汽車零部件逆向設計[J].河南工程學院學報：自然科學版,2015．

指導老師：黎明