3D立體掃描演示裝置

朱石明

選題來(lái)源

如今，越來(lái)越多的3D初創(chuàng)公司試圖擠進(jìn)當(dāng)前尚小但是卻在不斷擴(kuò)展的增材制造（即3D打?。╊I(lǐng)域，但3D實(shí)物掃描設(shè)備的昂貴價(jià)格卻讓人望而卻步。在創(chuàng)客教學(xué)的課堂上，也需要一個(gè)3D掃描的演示裝置，讓學(xué)生更好地領(lǐng)會(huì)3D掃描原理。

主要?jiǎng)?chuàng)新

令巧妙利用一字形激光器及與其互成一定角度的攝像頭構(gòu)成測(cè)距裝置，獲得被掃描物體表面的深度信息。

令研究和理解3D掃描儀的功能，并作出適合自己的修改，共同探究以幫助改善其性能并擴(kuò)展其功能。

令3D立體掃描演示裝置采用透明的、純白色有機(jī)玻璃制造，能讓學(xué)生更好地領(lǐng)會(huì)3D掃描原理。

方案構(gòu)思

3D掃描儀是一種將物體的三維圖像信息輸入電腦的設(shè)備，這種設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜，并且非常昂貴。目前市面上單點(diǎn)的激光測(cè)距儀已經(jīng)比較常見(jiàn)，并且價(jià)格也相對(duì)低廉。但是它只能測(cè)量目標(biāo)上特定點(diǎn)的距離。當(dāng)然，如果被掃描對(duì)象安裝在1個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)被掃描對(duì)象1周，單點(diǎn)激光測(cè)距儀就變成了2D激光雷達(dá)。2D激光雷達(dá)使用單束點(diǎn)狀激光進(jìn)行掃描，因此只能采集1個(gè)截面的距離信息。如果要測(cè)量3D的數(shù)據(jù)，還需要使用如下2種方式進(jìn)行擴(kuò)充：①采用線(xiàn)狀激光光源；②使用1個(gè)2D激光雷達(dá)掃描，同時(shí)在另一個(gè)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而掃描出3D信息。

第1種方式掃描速度可以很快，精度也比較高。但缺點(diǎn)是由于激光變成了1條線(xiàn)段，其亮度（強(qiáng)度）將隨著距離大幅衰減，因此測(cè)距范圍很有限。對(duì)于近距離（

3D激光掃描的原理

本課題采用了線(xiàn)狀激光器1次對(duì)1條線(xiàn)而非目標(biāo)物體的1個(gè)單點(diǎn)進(jìn)行掃描測(cè)距。將線(xiàn)狀激光器圍繞目標(biāo)物體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)3D掃描。

線(xiàn)狀激光器測(cè)距的問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為單點(diǎn)激光測(cè)距的計(jì)算問(wèn)題。對(duì)于線(xiàn)狀激光器產(chǎn)生的激光線(xiàn)條，算法將按照y軸依次計(jì)算出當(dāng)前y軸高度下，激光光斑的x坐標(biāo)值px。

要從攝像頭畫(huà)面中計(jì)算出光點(diǎn)的坐標(biāo)信息，需要識(shí)別并確定激光光點(diǎn)，排除干擾，確定光點(diǎn)中心的精確位置。

簡(jiǎn)單地講，可以認(rèn)為激光光點(diǎn)的亮度是1個(gè)二維的Gauss函數(shù)在畫(huà)面上經(jīng)過(guò)了一次采樣得到的。那么，可以通過(guò)擬合或者簡(jiǎn)單的線(xiàn)性插值/求質(zhì)心的手段，估計(jì)出光點(diǎn)的中心。

對(duì)于線(xiàn)狀激光器的求解過(guò)程與點(diǎn)狀激光類(lèi)似，區(qū)別在于此時(shí)將按照?qǐng)D像的每行（或者每列）分別找出激光光斑的中心。

元器件的選擇與提升

對(duì)于激光器的選擇，主要是考慮其發(fā)射波長(zhǎng)和功率。由于我的制作不用像現(xiàn)有產(chǎn)品那樣考慮激光器功率安全問(wèn)題，因此，采用了200mW的紅外一字線(xiàn)激光器（圖1）。較大功率的優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)縮短攝像機(jī)曝光速率過(guò)濾掉環(huán)境雜光的干擾，同時(shí)也可以?huà)呙栎^遠(yuǎn)的距離。作品整體外觀(guān)見(jiàn)圖2。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試與研究

驗(yàn)證激光測(cè)距原理。準(zhǔn)備2張打印紙，將這2張紙粘貼在2個(gè)紙板或硬紙殼上，以90°垂直方式，放置在角落里。在正面安裝網(wǎng)絡(luò)攝像頭，并按照指定的殼度和對(duì)比度進(jìn)行調(diào)試。之后，借助計(jì)算機(jī)程序輸入圖像，移動(dòng)激光照明燈，掃描物體。

工作室一角的掃描效果，見(jiàn)圖3。

掃描一個(gè)小小的我，見(jiàn)圖4。

性能與成本

本文介紹的低成本3D激光掃描儀具有如下性能：

全自動(dòng)掃描拼接，黑色或柔軟物體等也可掃描；

點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體分辨精度超過(guò)0.05，細(xì)節(jié)紋路清晰；

具備完整的軟件界面系統(tǒng)，包括校準(zhǔn)平臺(tái)、工作平臺(tái)、掃描平臺(tái)等。

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)：WindowsXP、Windows7、Windows8

掃描方式：非接觸式面掃描

相機(jī)：300萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)

視頻鏡頭：300萬(wàn)像素工業(yè)鏡頭

工作范圍：200mm×200mm×225mm

掃描精度：0.03mm

掃描速度：?jiǎn)未?.5?1.2s

掃描耗時(shí)：10?120min

外形尺寸：350mm×500mm×240mm

掃描距離：125?750mm

整機(jī)重量：3kg

制作成本：主控板、激光器件、步進(jìn)電機(jī)、亞克力板材等，合計(jì)約1050元

該項(xiàng)目獲得第31屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科技發(fā)明類(lèi)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目研究一種3D立體掃描演示裝置。利用一字形激光器及與其互成一定角度的攝像頭構(gòu)成測(cè)距裝置，獲得掃描物體表面的深度信息，實(shí)現(xiàn)3D掃描原理的演示。技術(shù)方案合理，有較好的創(chuàng)新性、很好的實(shí)用性和推廣價(jià)值。