三维激光扫描仪技术简介 扫描仪技术指标

　1 三维激光扫描技术简介

　　1.1 三维激光扫描仪原理 三维激光扫描仪主要由激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、彩色CCD相机、控制电路板、微电脑和软件等组成。激光脉冲发射器周期地驱动激光二极管发射激光脉冲，由接收透镜接受目标表面后向反射信号，产生接收信号，利用稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数，最后由微电脑通过软件，按照算法处理原始数据，从中计算出采样点的空间距离;通过传动装置的扫描运动，完成对物体的全方位扫描;然后进行数据整理从而获取目标表面的点云数据。同时，彩色CCD相机拍摄被测物体的彩色照片，记录物体的颜色信息，采用贴图技术将所摄取的物体的颜色信息匹配到各个被测点上，得到物体的彩色三维信息。

　　1.2 应用领域 三维激光扫描系统在测绘领域具有广泛的应用前景，除此以外，它还广泛用于概念设计仿真、交通事故现场勘测、森林计测、虚拟设计制造、电脑模拟实战、学术科研、汽车制造医学研究与临床诊断治疗等领域。

　　2 三维激光扫描采集方案

　　2.1 现场踏勘与定点 为了获得地理场景的三维完整信息，需要多测站多角度对场景进行扫描。一般可根据实地情况布置4-10个站点，并且为了以后的点云配准，要合理安排标签的位置和数量。根据地形条件和测量的具体条件来计划扫描的路线和测站点的位置;然后到实地勘测，查看所计划的路线和导线点位置是否合适;并把改动计划在图上标明。若测区没有现成的地形图或者测区范围不大，可以实地勘察、选择路线的同时确定测站点。为了把数据导入到大地坐标系，需要使用全站仪同时测量。应通过全站仪获取在大地坐标系下标签的坐标，这样在拼接后就可通过标签把所有数据导入到大地坐标系中。

　　2.2 实施扫描 在具体从某一方向对目标进行扫描时，应从扫描仪视野范围中圈选出被扫描物体，这样做一是减少噪点，二是减少扫描时间，提高效率。因为扫描距离越远，扫描时间越长，像天空这样的无限远距离会降低工作效率，不应纳入扫描范围。点云的密度取决于激光点位间隔，对楼体细节较多的建筑应采用1cm激光点位间隔扫描，墙体平滑的部分可采用2cm及以上间隔。另外，扫描区域周围的人流也会产生噪点，扫描后应及时观察点云以确定是否需要补扫或重复扫描。扫描完成后，还要对扫描区域进行拍照，获取色彩和纹理信息。当扫描仪自带摄像头像素太低不能满足贴图要求时，要用高像素数码相机手动补拍。照片可作为该区域建模后的贴图使用，也可为多站拼接提供参考。

　　3 点云数据处理与建模

　　3.1 点云的预处理 由于扫描过程中外界环境因素对扫描目标的阻挡和遮掩，如移动的车辆、行人树木的遮挡，及实体本身的反射特性不均匀，需要对点云经行过滤，剔除点云数据内含有的不稳定点和错误点。实际操作中，需要选择合适的过滤算法来配合这一过程自动完成。

　　3.2 点云配准 使用控制点配准，将点云配准到控制网坐标系下;靶标缺失的点云，利用公共区域寻找同名点对其进行两两配准，当同名点对不能找到时，利用人工配准法。后两种方法均为两两配准，为了将所有点云转换到统一的控制网坐标系下与控制点配准法得到点云配在一起，两两配准时要求其中一站必须为已经配到控制网坐标系下的点云。

　　3.3 点云拼接 外业采集的数据导入至软件时会根据坐标点自动拼接，但由于人为操作和角架的误差，一些点云接合处不太理想，这时需要进行手动拼接，对一些无坐标补扫面的拼接也需手动处理。手动拼接时对点云应适当压缩，选择突出、尖角、不同平面的特征点，以降低操作误差。如采用1cm激光间隔扫描时拼接后的误差在3mm以下较为理想。

　　3.4 建立三维模型 当建筑物数字化为大量离散的空间点云数据后，在此基础上来构造建筑物的三维模型。

　　3.5 点云的漏洞修复 由于点云本身的离散性，会导致模型存在一定缺陷，需要在多边形阶段对其进行修补、调整等操作后，才能得到准确的实物数字模型。由于建筑物形状复杂多样，所以目前网格的修补难以实现全自动化。点云数据的漏洞修复主要采用两种方法:当空洞出现在平面区域内，比如窗户或者墙面上的洞，可采用线性插值的方法填补空洞数据;当空洞出现在非平面区域，如圆柱上出现的漏洞，可采取二次曲面插值方法。

　　4 结论

　　通过对三维激光扫描仪的研究，分析利用点云数据构建三维空间模型的技术方法和过程，并在此基础上实现了场景的三维可视化仿真显示。探索了基于点云数据进行建筑物三维建模的方法，初步试验表明该方法可以应用于城市建筑物的三维建模，是“数字城市”建设较为现代的技术手段。另外，获取的建筑物表面的三维点云数据的数据量庞大，如何管理和处理海量数据，并且保证数据在处理过程中精度不受损失仍然亟待解决，是下一步研究的重点和难点问题。

客户问题

该客户是一家专业从事铸件加工的企业，为进一步提高生产加工效率，客户希望使用先进的测量手段进行测量，并完成CAD数模的创建。测量工件如下图。

传统测量手段

客户之前一直用三坐标测量机进行测量，但是效率不高， 后来经过朋友介绍，了解到可以通过三维扫描、逆向工程手段得到CAD数模。

解决方案

我们使用CREAFORM HandySCAN BLACK Elite进行三维数据采集，它的蓝色激光可以更好的采集工件的细节特征，它的测量速度高达130万次每秒，可以更高效的完成数据的采集。扫描数据可以直接用于快速成型和FEA有限元分析，或者结合三维设计软件，完成三维扫描逆向设计，为批量生产提供数据。

具体操作

1.连接设备，贴定位标点，采集工件表面的三维数据。

扫描数据

2.根据扫描数据创建CAD模型。

逆向建模结果

3.分析扫描数据和CAD模型的偏差。

检测逆向结果

CREAFORM手持式三维激光扫描仪可以高效地测量出工件的三维数据，方便我们对成型工件CAD数模的重建，解决了制造业关键的工业设计难题。三维扫描技术大大提升模具生产水平和机械制造水平。

HandySCAN 3D BLACK Elite激光扫描仪的三大特点

1、精确性、可靠性、分辨率

 不论测量安装质量以及用户经验如何，HandySCAN 3D 始终可实现精 确测量，同时提供高分辨率和可追踪结果。以动态参考为特点，扫描仪和部件都可在测量期间移动，且可以确保扫描精确、高质量。

 • 精度：0.025 mm

 • 体积精度：0.020 + 0.040 mm/m (0.0008 in + 0.0005 in/ft)

 • 验收测试依据：VDI/VDE 2634 第3部分ISO 17025 认证实验室

 • 细节高分辨率

2、便携性

本手持式 3D 扫描仪是一款独立操作的设备，无需使用三脚架或外部跟踪设备即可操作可装入小型手提箱、随处携带、在任何环境条件下 使用，性能不会受到影响。

 • 轻量：0.94 kg (2.1 lb)

 • 自定位和动态参考

 • 可装入手提箱

 • 将其带到任何所需的地方

3、更快的 3D 扫描流程

 HandySCAN 3D 扫描仪以多条激光十字线和自动网格生成为特点，可实现从安装、扫描到存档的快速工作流。

 • 直接可用的文件

 • 高测量速率：高达 1,300,000 次测量/秒

 • 11条激光十字线，扫描区域广

 • 快速安装：安装运行可在2分钟内完成