基于三維激光掃描技術(shù)的彈體表面凹凸缺陷檢測研究

郭 杰，陳 陽，張冬冬，張 亮

（1.陸軍工程大學，南京 210007；2.32670 部隊，遼寧 朝陽 122527）

0 引言

炮彈抽樣檢查中，彈體表面缺陷檢測必不可少，多數(shù)情況以肉眼進行判斷，存在較大誤差，對彈藥安全使用存在較大隱患。目前，如紅外熱成像法、渦流法等也可實現(xiàn)彈體表面的缺陷檢測，但均存在著技術(shù)復雜，定量分析不準等缺點，識別精度和檢測速度都難以滿足要求。近幾年來，三維激光掃描技術(shù)廣泛應用于變形監(jiān)測[1]、工業(yè)零部件精度分析[2]，其自動獲取的點云數(shù)據(jù)具有較高的密度，在三維物體表面缺陷檢測[3]，獲得了很好的效果，為彈體缺陷檢測帶來了新的方法。

在三維激光軍事應用上，胡凱征[4]等將三維掃描重構(gòu)技術(shù)應用于彈體結(jié)構(gòu)的特性快速分析和計算，發(fā)現(xiàn)非接觸、精度高、適用性強的三維激光掃描技術(shù)非常適合復雜導彈外形的檢測和結(jié)構(gòu)特性分析。針對利用三維激光點云進行缺陷檢測，王穎[5]等在分析散亂三維點云特點的基礎(chǔ)上，通過對三維點云規(guī)則化處理，實現(xiàn)了設備表面凹凸缺陷的快速檢測和三維重構(gòu)。李宇萌[6]等在對初始點云數(shù)據(jù)進行邊緣剔除和點云精簡基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了基于點云配準的轉(zhuǎn)子表面缺陷檢測，實驗結(jié)果表明對凸起缺陷檢測效果比較精準。錢海[7]等基于三維激光掃描和BIM 技術(shù)，提出的一種基于點云的建筑構(gòu)件缺陷檢測方法，通故實驗證明可以有效、準確識別缺陷，誤差量化差小于9%。在基于三維點云數(shù)據(jù)缺陷檢測基礎(chǔ)上，韋雪花[8]等針對樹冠形狀不規(guī)則，樹冠體積難以測量和計算的問題，提出一種基于三維激光掃描點云的樹冠體積計算方法，其獲取的樹冠參數(shù)與外業(yè)實測差異不大，能夠得到較高精度的冠徑、冠高數(shù)據(jù)。周緒達[9]、曹新華[10]、高云霞[11]等利用數(shù)學方法綜合分析測算了不規(guī)則圖形的面積，為彈體缺陷的量化計算研究奠定了基礎(chǔ)。

本文主要研究基于三維激光掃描技術(shù)，獲取彈體表面缺陷的點云數(shù)據(jù)，通過對三維點云數(shù)據(jù)的處理與計算，利用數(shù)學方法進行缺陷體積計算，實現(xiàn)了缺陷識別及其量化處理，對于彈藥的安全儲存和使用具有重要的意義

1 點云數(shù)據(jù)獲取及處理

1.1 系統(tǒng)標定

為有效降低系統(tǒng)誤差對點云數(shù)據(jù)的影響，利用三維激光掃描系統(tǒng)獲取彈體表面三維數(shù)據(jù)之前，需要對該系統(tǒng)進行標定，即在給定的攝像機模型下，通過獲取DLT 模型所需要的各種參數(shù)初始值，再通過光束法平差解求出精確的參數(shù)值，從而求解出像平面上與物理坐標中各點的映射關(guān)系。

1.2 數(shù)據(jù)采集

首先把標定好的三維激光掃描儀固定在支架，避免人為操作造成的誤差；其次將彈體樣品放在均勻旋轉(zhuǎn)工作臺上，實驗開始后，使其能夠勻速旋轉(zhuǎn)，以保證彈體表面數(shù)據(jù)能夠被三維激光掃描儀準確采集。

2 點云數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描采集的點云數(shù)據(jù)最初是散亂的，不宜直接進行缺陷識別和量化計算，需要進行去噪、邊緣剔除、點云精簡等處理操作。其基本流程如圖1。

圖1 點云數(shù)據(jù)處理流程

2.1 點云配準

點云配準是指一對點云數(shù)據(jù)集進行兩兩配準，主要是由于初始獲取的點云存在數(shù)據(jù)不完整、旋轉(zhuǎn)錯位、平移錯位等問題，需要確定一個合適的坐標變換，將從各個視角得到的點集合并到一個統(tǒng)一的坐標系下，形成完整的點云數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的誤差識別等操作。

2.2 點云去噪

在獲取彈體表面點云數(shù)據(jù)時，由于環(huán)境因素、操作原因等因素影響，三維點云數(shù)據(jù)中混雜有一些無關(guān)對象和離群點，首先需要進行去噪處理以降低對后期識別造成的影響。通常采取直接觀察法和弦高偏差法結(jié)合的方式進行去噪處理，對于明顯的噪聲點，首先通過肉眼觀察并初步刪除；其次利用截面數(shù)據(jù)的起點和終點擬合出曲線，通過最小二乘法計算各數(shù)據(jù)點到曲線的距離di，允許距離D，當di＞D時，判定為噪聲點，予以刪除。

2.3 點云精簡

獲取的高密度彈體三維點云數(shù)據(jù)，其特點是數(shù)據(jù)量龐大，分布不均勻，含有大量冗余數(shù)據(jù)，若直接進行數(shù)據(jù)的三維曲面重構(gòu)，計算資源占用量大，計算時間長，工作效率低。為了提高重構(gòu)的效率，在保留重要的三維點云數(shù)據(jù)同時把冗余數(shù)據(jù)清除，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精簡。針對彈體形狀為曲面特點，根據(jù)曲率大小，采用基于曲率的簡化算法進行精簡，將點云數(shù)據(jù)劃分為多個曲率區(qū)間，對應各個曲率區(qū)間設定不同的閾值。設在某一曲率區(qū)間內(nèi)，按照從小到大的順序，把該區(qū)間內(nèi)曲率進行排序，設該區(qū)間閾值為h，曲率基準點取該區(qū)間內(nèi)曲率最小的點po，若曲率差，則刪掉點pj，否則保留點pj，并把點pj作為新的基準點，重復以上過程直至該曲率區(qū)間內(nèi)的點全部比較完畢。

3 基于彈體表面點云數(shù)據(jù)模型的缺陷檢測原理及量化計算

本文中檢測彈體具體指垂直于炮彈主體截面形狀為圓截面的彈體，因此，在彈頭方向朝上且始終垂直于地面時，垂直方向上的點云數(shù)據(jù)應該都是平行的閉合圓曲線。如不滿足以上條件的情況則可判定為缺陷，本文主要研究彈體表面常見的缺陷特征，即凹陷和凸起。如圖2 所示。

圖2 彈體缺陷及橫截面示意圖

3.1 凹凸缺陷的識別原理

由于垂直炮彈主體截面形狀為圓截面，所以通過三維激光掃描獲取彈體的三維點云數(shù)據(jù)，進行規(guī)則化處理后以圓周形式存在，正常情況下，圓周上任意一點的切向量和法向量相垂直且法向量與對應半徑重合，相鄰點的切向量變化是相對連續(xù)的；若出現(xiàn)凹陷或凸起缺陷，則圓周上的點分布發(fā)生變化，此時過圓心的法向量方向與該點切線的方向連線形成的夾角θ＞90°或θ＜90°。記錄下發(fā)生變化的數(shù)據(jù)點，計算其到對應的圓心距離Di，將其與對應圓周上的判別半徑閾值Ri進行比較；根據(jù)Ri與Di的大小判斷凹凸情況，若Ri ＜Di，則記錄該點為凸出點；若Ri ＞Di，則記錄該點為凹陷點。如圖3 所示。

圖3 彈體缺陷識別示意圖

3.2 確定判別半徑R

判別半徑閾值R的大小為橫截面圓周上正常點到圓錐頂點到圓錐底面垂線距離，可根據(jù)標準彈體實驗及彈體設計要求規(guī)范查閱得知?；蛘吒鶕?jù)缺陷識別的三維點云數(shù)據(jù)，通過選取法向量與半徑重合的點到圓心的距離進行加權(quán)平均計算得到。即

3.3 缺陷體積的量化計算

運用微分方法，將總?cè)毕莘殖啥鄠€子缺陷，計算每個圓周子缺陷的截面積Si以及相鄰圓周之間的距離Di，子缺陷體積缺陷總體積。具體方法如下：

本文以凸出缺陷為例（圖4），缺陷橫截面的面積為曲線AECFB和圓弧ADB所組成的區(qū)域，缺陷的體積V等于缺陷長度D乘以缺陷橫截面面積SAECFBD。以圓心為坐標原點建立空間坐標系，設圓的方程為f（x），缺陷曲線方程為g（x）。則由兩條封閉的曲線f（x）、g（x）組成的面積S即為缺陷面積，根據(jù)缺陷識別標定首末交點即兩條曲線的交點A（xA，yA）、B（xB，yB），觀察在[Xa，Xa]，

圖4 彈體凸起缺陷量化計算示意圖

V為缺陷體積，D為缺陷長度，Si為缺陷面積。

4 實驗研究及結(jié)果分析

4.1 實驗裝置

實驗采用法如Focus S350 三維激光掃描儀，其擁有當今創(chuàng)新性的功能，能夠在室外和戶內(nèi)環(huán)境下進行激光掃描，真正具有移動性、快速性和可靠性，掃描范圍達350 m，距離精度±1 mm，適用于建筑、缺陷檢測等行業(yè)的應用。實驗裝置如圖5 所示。

圖5 現(xiàn)場實驗

4.2 結(jié)果分析

實驗中基于已知體積的不同形狀的橡皮泥模擬凸出缺陷，附著在彈體表面，進行誤差識別和量化實驗，檢測結(jié)果如表1。

表1 實驗結(jié)果對比

實驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，利用三維激光掃描可以有效識別彈體表面凹陷和凸出缺陷，識別精度較高；但量化精度還有待提高，對于規(guī)則型缺陷量化誤差最小為0.67%，平均誤差為0.81%，但不規(guī)則凹陷或凸出缺陷量化誤差較大，最小誤差為5.5%，平均誤差為7.89%。

5 結(jié)束語

本文通過三維激光掃描技術(shù)快速、精確地獲取了彈體表面點云數(shù)據(jù)，同時依托處理后的點云數(shù)據(jù)模型進行缺陷識別，不僅有效實現(xiàn)了凹凸缺陷識別，而且通過量化積分計算方法，得到缺陷體積的數(shù)值，并進行誤差分析，為評估炮彈安全使用提供了科學依據(jù)。