三维扫描仪在产品设计中的运用

姚奇志 刘勇 南华大学设计学院 421001

三维扫描仪在产品设计中的运用

姚奇志 刘勇 南华大学设计学院 421001

三维激光扫描系统，也称为三维激光成像系统，主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，其目的是快速、方便、准确地获取物体空间三维坐标，建立三维立体模型，以便对模型进行进一步的分析、数据处理和应用。激光三维扫描技术以其独有的优势正在各行各业发挥着越来越重要的作用。但是在工业产品设计中，其技术特点，还有其局限性，还有待于更进一步完善。本文从一个工业设计使用者的角度，从自身的工作需求出发，提出从改善工作方式等方面来最大限度的利用好三维扫描仪。本课题旨在讨论三维扫描仪对工业设计的应用，以及在产品设计过程中出现的问题和解决方案。

Three-dimensional laser scanning system, which is also called three-dimensional laser imaging system,mainly composed by three-dimensional laser scanner and system software. Its aim is to acquire three-dimensional space coordinates of object fast,easily and accurately, establish three-dimensional model, so as to do further analysis, data processing and application for the model. Threedimensional laser scanning technology is playing an increasingly important role in all works of life with its unique advantages. However, in the field of industrial product design, its technical characteristics,as well as its limitations, remains to be further improved. This paper views from the angle of industrial designers, starting from their own work demands, put forward some ways to make full use of three-dimensional scanner such as improving working method. This issue aims at discussing the application of three-dimensional scanner to industrial design, and problems and solutions in the process of product design.

一、三维扫描在产品设计中的适用性研究

传统工程学是研究如何将工程概念和模型转换成实际产品(即正向建模)，而逆向工程学是研究如何将实际物品还原成计算机可接受的工程概念和模型。逆向工程以物体的实际测量数据为源头，目标是从测量数据推演出物体的实体几何模型从而拓展计算机建模的新优势。逆向工程的应用领域可以被归类为以下类:第一，在没有设计图情况下，如何拷贝一个真实的产品(如实物文化遗产数字保护、机械零件设计图还原);第二，在没有设计图情况下，如何修改、创新出一个新的产品(如经典雕塑的再设计、民族玩具的跨民族化);第三，对美学要求极为苛刻的工业产品设计，即先有指定比例的粘土、木制概念产品，然后才设计计算机模型(如汽车A曲面设计、卡通人物面部设计);第四，量身定制的工业产品设计(如头盔、太空服)。正向建模是通过设计师的设计思想指建模过程，而逆向建模是通过实体模型数据引导建模过程。逆向工程的最终目标是从测量数据中完全的、智能的还原出设计师的原始设计思想。

（1）曲面扫描

在机械和玩具的设计中，并不是所有的产品都能由CAD设计出来，尤其是具有非标准曲面的产品。在某些情况下常采用“直觉设计”，设计师直接用胶泥、石膏等做出手工模型，或者需要按工艺品的样品加工。过去，这一工作主要依靠三坐标测量机来完成，它精度虽高，但价格昂贵，且操作复杂，特别当物体形状复杂时，测量速度很慢，更不用说实现在线检测了。随着三维扫描仪的出现，一切开始变得简单易行了。进入90年代后，欧美的许多大汽车公司、机械加工生产和装配厂都装备了三维扫描仪，用于产品外形和零件的测量。用三维扫描仪对这些样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与各种CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补，再送至数控加L或快速成型设备制造中心。特别是它能实现快速的三维在线测量，这是过去的手工测量和CMM所无法做到的。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高、无接触、使用方便等优点而得到越来越厂一泛的应用，大有取代二坐标测量机之势，甚至在制鞋业这种“老”行业中，美国人也引入了三维扫描仪用于鞋楦的二维测量。

（2)工业仿制

仿制是工业加工中的一项重要任务，测量其尺寸是仿制的第一步。三维扫描仪能快速测得零件表面每个点的坐标，将数据送入CAD系统和数控加工设备，很快就能得到一模一样的产品。美国80年代就将基于结构光技术的三维扫描设备用于流水线上的零件检测。

零件在流水线上移动，三维扫描仪实时地测得零件的三维尺寸，然后输入计算机与标准数据对比，其精度可达到0.02mm。

二、三维扫描在产品设计中的局限性和难点

在实际应用中，激光三维扫描仪也因其固有的特点。给其传统工作方式带来了便捷和新的挑战。本部分就产品设计过程三维扫描仪的运用关键步骤进行探讨和研究。对于三维扫描仪在产品设计领域的运用，我们常常这样简要的表达：它能快速精确地完成某一件的仿制加工或是模具的设计，你只需对着需仿制或复制的物品进行扫描，得到物体的计算机的三维图像(数字模型)，再与数控加工设备进行联接，一件与真实物品完全一样的仿制品就完成了。但是这是一个非常简化了的理想状态，在实际中我们常常遇到许多问题。比如：

（1）喷涂物喷涂与清洗的普适性。

（2）扫描死角的处理。

（3）表面数据处理与重建重建的问题。

其中表面重建是产品设计中要解决的核心问题。因为产品模型绝大多数是粘土，石膏，金属易得材料，喷涂物为白垩土，不会发生化学反应，即使粘土模型无法清洗也可以抛弃和利用石膏模型替代和重建。扫描死角也可以通过分割模型来进行抄数。这些无非只是增加一些设计成本。不是无法逾越的技术障碍。

三、扫描与重建的难点

三维扫描仪正是迎合了逆向工程设计所需的，然而数据残缺是激光三维扫描过程中不可避免的问题。本文小动物模型实际数据进行了实验，获得了较好的效果。本文研究对象是通过激光扫描仪获得的三维数据点云数据，由于各种误差和噪声的存在，将造成原始数据的不规则，给表面重建带来困难。因此，必须对三维原始数据进行预处理。扫描系统的主要技术参数如下：

测量范围即有效扫描范围：直径为0.4米，高度为0.4米的圆柱体的范围。典型的分辨率为：水平分辨率为0.1mm，深度分辨率为0.1mm，垂直分辨率为0.2mm，系统的扫描时间为30.7秒。

（1）：定标球选取

为了提高重建的速度和精度，需要在场景中放置定标球，定标球的底座上带有磁铁，可以方便地放在需要的位置上。在两个不同的视点上，应该有至少三个公共定标球，如果是三个定标球，则这三个定标球不应位于同一条直线上;如果是四个定标球，则这四个定标球不应位于同一个平面上。对于比较小的场景，最好在各个视点都能看到1号定标球(比如对于小熊（图一，可将1号定标球放在小熊部上方的位置)，这样会提高点云合并时的精度，有利于三维模型的重建。

图一 小熊与定标球的体量关系

（2）：光环境清理

一般情况下，尽量在最合适的条件(温度、湿度、振动等)下使用扫描仪，这里主要强调一下现场光线对扫描结果的影响。由于SOIsIC扫描仪采用的是主动式扫描(即发射激光)，所以过于强烈的现场光线会对扫描结果产生一定的干扰。在进行扫描时，尽量使现场光线变暗(如关掉灯光、拉上窗帘等)，在扫描完一个视点后，打开现场光源，在不移动位置的情况下，切记进行视频采集，以利于点云合并和对三维模型贴纹理。另外，激光二极管需要预热到一定的温度后才能开始工作，所以在寒冷的冬季，需要加长预热时间。

（3）云图预处理

我们己经可以得到被扫描对象的点云图。图二是我们对从5个视点的点云图进行注册、合并、融合以及切除杂散点后所得到的小熊云图。由于我们这次扫描时间有限，所以很明显可以看到小熊右膝下有空洞，这主要是由于扫描不到位引起的。这样的数据会对三维数据的建模带来很大的困难。在在扫描过程中，杂散光、背景光或者系统运行中的其他一些意外因素等产生了一些不属于扫描实物的本身的数据，这些数据也被记录到了数据文件中。因此在对激光扫描获取的数据点重建之前，必须对噪声点数据进行删除。噪声点去除的目的是为了获得能够较准确反映物体真实信息，目前已经提出多种方法。最简便可靠仍然是最大体量法。

图二扫描得到的云点

(a)最大联通域法去除杂点

噪声点去除的目的是为了获得能够较准确反映物体真实信息，目前已经提出多种方法，求最大连通域法是剔除游离在数据外噪声点的一种比较有效的方法。其基本原理：对于原始数据点集D，分别找到其在x,y,z三个方向上的最大最小值xmax,xmin,ymax,ymin,zmax,zmin。建立平行于坐标轴的最小包围盒：B=[xmin,xmax]×[ymin,ymax]×[zmin,z m a x]。然后，选取一个适当的值distance，从而将包围盒分割为nx×ny×nz个平行的小立方体。将D中所有的点都分配进这些立方体，每一个含有数据点立方体和其周围26个相邻立方体中含有数据点的立方体在同一连通域中。通过找到一个含有最多小立方体的连通域即为保留的数据点集。如图三所示，上图中显示的原始数据含有杂散点，下图中保留了最大的连通的数据集，去掉了游离于外的数据点，成功地删除了杂散点。参数distance的值要根据数据的密度进行确定，太大，不能成功删除杂散点；太小则会删除过多的点。

图三 最大联通法去除杂点

(b）数据点的平滑

受测量过程中随机误差以及数据采集时对空间连续光带的离散采样等因素的影响，采集后获取的数据一般是不光滑的，其中的部分数据点会轻微偏离原始位置，因此，一般需要对数据进行平滑处理。对于本实验系统采集到的数据，直接采用平均算法进行处理，首先将轮廓线数据进行分行，对于每一行数据图（图四中上图为所截取小熊背部部的一行数据中的一段，在右下角的部分有较明显的小的锯齿状的起伏，图四下图中经过平滑后有所改善。）经过上述处理后，数据点的位置会有所变动，但是由于采集到的数据十分密集，这种位置的变动不会导致曲线形状的失真，只会使数据点变得更加平滑。数据平滑过程需在数据杂散点消除过程之后进行，否则杂散点将会对平滑结果有显著影响。

(c)数据点的简化

利用光带法可以在短时间内获取大量的数据，被测物体表面轮廓越大、要求采集的分辨率越高，则获取的数据集就越大。这样密集的数据在处理、存储、显示和传输过程中都会占用很多系统资源，使得处理速度缓慢，运算效率低下。因此有必要在满足一定条件下，对得到的数据进行简化，使得简化后的数据既保留了物体表面的有用信息，又在数量上大大降低，从而实现对数据的高效处理。

对数据简化可以通过以下两种方法来实现：第一种，在数据采集阶段根据要求对数据进行简化。在数据采集阶段，我们可以根据分辨率要求以及被测物体表面的形状对数据进行合理简化。可通过调整竖直方向采样间隔以及光带图像采样间隔来实现。竖直方向采样间隔越大，获取的数据量就越小，同样，在对光带图像进行采样时，不必对每一个像素都进行计算，可以以一定间隔对光带进行采样，从而实现对数据的简化。这种方法在数据简化的效果上是十分可观的，会使数据量成倍地下降，但是此时也会降低获取数据的分辨率。第二种方法是在获取数据的基础上，利用一定的算法来实现对数据的简化。

根据数据密度的需要从中均匀剔除部分冗余点即可。经过上述处理后，数据点的位置会有所变动，但是由于采集到的数据十分密集，这种位置的变动不会导致曲线形状的失真，只会使数据点变得更加平滑。数据平滑过程需在数据杂散点消除过程之后进行，否则杂散点将会对平滑结果有显著影响。图四为对测量数据进行平滑的效果图，从图中可以看出，处理后的曲线不但较好地保留了原始曲线的形状，同时还消除了数据中一些突出点，实现了数据的平滑和简化。

图四 数据点的简化和平滑

(d)残缺数据常用的处理方法

在用激光三维扫描仪对被扫描对象扫描的过程中，由于受到扫描对象、现场环境、扫描速度和时间等的限制，导致三维物体的某些部分获取的数据不完整，造成三维数据的残缺，于是在三维建模过程中，就会出现由于残缺数据造成三维建模时出现局部空洞，这种现象在被扫描对象的外形比较复杂(如兵马俑，雕塑或考古现场)时更容易发生。实际上，这些洞的产生主要原因是因为由于较低的反射率、扫描仪位置设置(即视点)等的限制，或者仅仅是由于激光扫描仪的扫描光束的直线探测而造成。此外，由于物体的结构或者扫描过程中操作者的问题，也会导致局部残缺数据的出现。

软件虽然对于诸如管道、阶梯等工程上具有规则外型的实体可以进行高速度、高质量、高精度的快速建模，但是对于没有明显外型规律的兵马俑实体，这二个特点却不能被很好的体现出来。因此在对模型表面进行处理的过程中，不得不进行大数据量的修补工作，而这些修补工作都是手工进行的。要提高工作的效率，就必须对该软件的应用熟练掌握，并清楚各个功能的使用条件，且要清楚各个功能之间的差别所在。

对残缺数据产生的空洞的处理方法可总结如下:

其一：对于那些具有多重边界空洞，可选择合适的(可能不是圆盘的)拓扑结构来构造三角面片。

其二：根据重采样原理，对采集得到的数据进行重新采样，以便补齐缺损的数据。

其三：在扫描过程中，尽可能在多视点的情况下进行扫描，以便获取完整的数据。

其四：利用体模糊的方法来对残缺数据造成的空洞进行填补。

在对小熊行建模的过程中，我们对于纹理较为复杂的部位(如:脸部)进行了精扫，在做数据处理时，可以将这些部分切出来，用较高的精度进行三角化，这样做可以使这些较复杂的表面特征得以充分体现。如果选用的精度不够高，可能会出现模糊失真。但是，在实际扫描过程中，由于扫描时间有限，虽然对小熊五个视点可以基本反映小熊的外部特征，但是某些少数部位，如:右腿的脚面部位(如图5.2所示)、被腿遮住的部分腹部仍然没有扫描到，造成局部数据的残缺。这时就需要软件人工模糊补偿。

四、总结与展望

本文主要研究的是激光三维扫描数据的在工业设计中表面重建技术，针对激光扫描系统采集的数据，进行了数据的消杂散、数据的平滑和简化及三维表面重建方面的内容，实现三维效果显示。由于激光扫描技术的发展，通过激光扫描获取的数据正变得越来越复杂、数据量越来越大，对其进行表面重建技术应用是一个需要深入研究的问题，本论文所做的工作仍然是比较初步的研究。

在今后的工作中，还可以从以下几个方面进行完善并作进一步的研究：

（1）在数据预处理方面，应该采用更加精细的多元判据进行数据的识别与整理，以便能够为进行的更加准确的数据预处理作更好的铺垫。

（2）在数据的表面重建方面，应该加强重建表面空洞的判别和填补方面的研究，并为填补后的表面增加后续的平滑处理，使修补后的部分和原部分从视觉上很好地切合在一起。

（3）在三维数据的重建中，应该尽可能加强与其他软件之间的沟通（比如：3dmax）加强在数据结构上减少程序的复杂度，使程序的运行速度更加快速。

总之，三维可视化技术是一项复杂的和需要深入、广泛研究的技术，它具有广阔的应用前景，是将来数字化设计中不可缺少的重要组成部分。

[1]吴福生，丁玉成，卢秉恒.基于点云数据复杂曲面产品的快速开发.西安交通大学学报.2001

[2]许智钦,孙长库.逆向工程技术.中国计量出版社.2002

[3]刘之生,黄纯芝.反求工程技术.机械工业出版社.1992.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.064

湖南省教育厅课题07C644