自定位手持式三维激光扫描仪精度测试与分析

李　泉，程效军

(同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092)



自定位手持式三维激光扫描仪精度测试与分析

李泉，程效军

(同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092)

三维激光扫描技术是一种高精度高效率的测绘新技术，在逆向工程、三维可视化、虚拟现实等领域被广泛使用。手持式三维激光扫描仪是三维激光扫描仪的一种，其便携性和高精度的特点使其在文物考古、医学等领域具有独特的优势。但在应用过程中，实际获取的扫描数据精度往往会受到仪器自身、扫描目标及外界环境的影响。本文对手持式三维激光扫描仪的误差来源进行了分类，并针对各个误差来源进行分析，然后以EXAscan手持式三维激光扫描仪为例，设计了相应的试验方案并对其精度进行了测试与分析。

手持式三维激光扫描仪；误差来源；点云数据；精度分析

手持式三维激光扫描仪是一种便携式三维激光扫描仪，通过手持移动扫描来获取目标表面的三维数据。其自定位功能，可以在扫描过程中对扫描对象进行自动配准，极大地提高了测量工作的效率。手持式扫描仪不仅测量速度较快，而且测量精度较高，因此非常适合于结构复杂、纹理多样的物体的扫描，因而被广泛应用于文物三维仿真中。

对测量结果的精度分析是测量过程中的重要环节。由于三维激光技术的测量机制异于传统形式，因此传统的测量仪器检定方法无法直接用于检定三维激光扫描仪。虽然三维激光扫描仪的生产厂商在仪器出厂时会给出仪器的性能指标，但这些性能指标是在特定环境中得到的。在实际工作时，仪器能否达到标称精度有待验证[1]。目前，对三维激光扫描仪精度分析的研究主要是针对地面固定式扫描仪，对于中长距的扫描仪能方便地通过建立室外检校场进行精度分析与检校[2]。而对于短距离手持式三维激光扫描仪，建立室外检校场的方法显然不行。由于手持式三维激光扫描仪测量机制的原因，其扫描数据精度的影响因素也与其他测量仪器有一定的差异。只有在分析其精度影响因素的基础上，掌握不同因素对扫描结果造成的影响，才能确保使用手持式扫描仪进行扫描时达到最佳的状态。

一、手持式三维激光扫描仪测量误差来源

根据误差理论，手持式三维激光扫描仪的测量误差可分为系统误差、偶然误差和粗差。系统误差具有累积性，可通过选择合理的观测条件及对测量结果的规律性进行归纳与改正[3]。偶然误差是随机误差，可通过多次重复观测，削弱其影响。粗差是由于测量时不正当操作或是不恰当测量环境等造成的较大的偏差。一般情况下，在测量工作时，注意操作规范，粗差是可以避免的。此外，在进行数据处理时，采用稳健估计方法也可以有效地将粗差剔除。

通过对误差来源进行分析，手持式三维激光扫描仪的测量误差主要可分为由仪器、扫描目标及环境引起的误差。其中，仪器的影响主要包括扫描仪内部的CCD接收器、光学部件及发射的激光强度与激光光斑形状的影响[4]。扫描目标的影响主要包括扫描目标的粗糙程度、相对扫描仪倾斜程度与颜色的影响。环境影响主要是在扫描仪工作时周围环境的温度、湿度、气压等因素的影响[5]。另外还包括边缘效应及多路径效应等的影响[6]。

1. 仪器自身的影响

由于激光扫描仪内部光学部件制造等因素会对扫描数据产生影响，且扫描仪内部CCD相机的分辨率及激光器光斑形状也会对扫描数据产生影响，故通常情况下，扫描仪自身的系统误差无法通过多次测量消除，只能通过仪器设计制造工艺的提高及仪器校准来消除或削弱。

(1) 扫描仪内部光学部件的影响

扫描仪内部的光学部件对扫描数据的影响主要来源于镜头的各种像差，主要有球差、慧差、场曲、畸变和象散等[7]。像差会使实际成像点偏离理想的成像点。由于手持式三维激光扫描仪采用单色光，因此与色差有关的像差可以忽略。

(2) CCD分辨率的影响

CCD器件由一系列光敏元排列成矩阵构成，每个光敏单元都有一定的尺寸，相邻两个单元之间的间隔一定。CCD的分辨率靠光敏元的尺寸大小及光敏元之间的间隔确定[8]。如图1所示，当扫描仪距离测量物体的距离d较小时，则l较大，超过了CCD的探测范围，此时，即使物体距离扫描仪很近，但仍无法得到图像。而当扫描仪距离物体较远时，d较大，而l相对较小，此时，l值能否精确探测则依靠CCD的分辨率，分辨率越高，则能获得的l值越精确。

图1　CCD分辨率的影响原理示意图

(3) 激光光强与光斑形状的影响

激光光强分布不均会使得到的散射光斑信号强度分布不均，产生多峰、中心偏离等现象，使扫描物体在CCD光敏元件上的成像中心偏离理论位置，从而引起扫描数据的误差。激光光强太强会使光敏元件过度饱和，而光强太弱则接收到的信号强度太弱，将不在光敏元件探测范围内，从而造成数据无法探测。

通常情况下，理想的激光光斑为线条或单个光滑圆点，但在实际扫描过程中，激光光斑会产生变形。以圆形激光光斑为例，若发射激光束直径较大时，当被测物体的表面不均匀时，散射的光斑光能的质心与光斑的集合中心不重合，从而带来一定的测量误差。

2. 扫描目标反射面的影响

三维激光扫描仪接收扫描目标的反射激光能量，反射激光的能量主要受物体反射特性的影响。不同的扫描目标表面反射特性也不相同，从而导致扫描数据产生误差。

(1) 反射面倾斜的影响

当扫描目标倾斜时，扫描物体表面对入射激光不均匀散射，使扫描仪内部接收器接收到的激光光能在单位时间内不均匀变化。因而使CCD光敏元件接收到的激光光斑的光能质心与几何中心产生偏离，得到的扫描数据会产生偏差。

(2) 反射面粗糙程度的影响

当扫描目标表面过于光滑时，漫反射成分较少，对于CCD而言，接收到的主要是正反射的干扰信号。扫描目标表面粗糙不均时，当入射激光到达目标表面凹凸不平处，使得光斑形状产生变化，引起CCD光敏元件输出信号不稳定，从而造成测量结果的差异。

(3) 反射面颜色的影响

不同颜色的反射面有不同的光谱信号，因此对激光的反射信号有一定的影响。激光照射到不同颜色的物体表面，激光被吸收及反射的程度不同，CCD接收器接收到的信息也会有所差异。一般的，扫描目标颜色对扫描仪发射激光的反射率越高，得到的目标反射激光强度越大，扫描数据的精度也就越高[9]。

3. 边缘效应的影响

由于发射的激光束有一定的发散角，故当入射激光到达扫描目标表面时会形成一定大小的激光光斑[10]。如图2所示，当激光入射在某一物体的边缘时，该激光束仅一部分被扫描目标反射，其余的反射能量可能由扫描目标的相邻物体反射。此时CCD接收到的能量是不同物体反射能量的综合，因而扫描数据的测距精度会产生偏差。

图2　边缘效应的影响

4. 温度、湿度、气压等外界环境的影响

由于光在空气中传播会受到温度、湿度、气压等的影响，激光的形状及传播路径会发生改变。当测量距离较远时，由于大气衰减的原因，光的传播速度与方向均会有改变。温度的变化也会引起激光传播路径的变化，从而造成接收器接收到信号的变化。此外，如风、雾、雨、雪等天气对扫描仪也会有一定的影响，如激光打在雨水上会有一定的反射，从而使扫描数据产生偏差。

二、试验测试

1. 试验仪器

试验测试采用Creaform公司的EXAscan手持式激光扫描系统，主要包括手持式扫描仪及配套的数据处理系统。该扫描仪如图3所示，主要部件为仪器下端的十字激光发射口、两端的CCD接收器及中间的工作按钮。其主要性能指标见表1。

图3　EXAscan手持式三维激光扫描仪

性能指标数值测量速率25000次/s分辨率/mm0．050最高精度/mm0．040体积精度0．020mm+0．100mm/m基准距/mm300十字激光范围210mm×210mm60mm×60mm(高分辨率)

2. 仪器内符合精度测试

仪器内符合精度是指仪器对同一观测量进行多次观测，得到的观测数据之间的较差。仪器的内符合精度反映了仪器的稳定性。试验时将球靶标放置于固定平台上，在50 cm左右距离上对其重复扫描4次，图4为试验所用的球靶标。

图4　球靶标

获取扫描数据后，在Geomagic Studio软件中，对数据进行预处理并提取靶标的球心坐标及球体半径。表2为试验获取的数据与计算结果。

表2　内符合精度测试　mm

从表2的数据中可以看出，4次扫描所得球心坐标的中误差较小，均在0.007 mm以内。由此可以得出本次试验的手持式扫描仪的内符合精度很高，仪器内部稳定性较好。

3. 扫描物体粗糙程度与颜色对仪器精度的影响

在做扫描物体粗糙度与颜色影响的试验时选择一张光滑的A4打印纸与一张粗糙的A4铅画纸，在两张纸上均打印上8.5 cm×8.5 cm的6个图形色块，分别为黑色、红色、绿色、蓝色、黄色和紫色。试验时将两张A4纸平整地置于桌面，在室内无光照的环境下进行扫描，如图5所示，得到的是两张纸张的扫描数据。

图5　粗糙度不同纸张的扫描数据

本次试验所用手持式激光扫描仪的测量精度并不受颜色的影响，试验对象上有6个不同色块，从获取的点云数据上无法区分这6种色块，整张纸张上的扫描数据均匀分布，无明显差异。将扫描数据进行处理，得到光滑纸张点云个数为107 354，粗糙纸张点云个数为107 344。可以发现两者在点云个数上并无多少差异。由上述结果可以得知，物体的粗糙程度对于手持式扫描仪测量精度影响不大。

为了进一步分析扫描物体颜色与粗糙程度的影响，对4张两种不同粗糙度、大小均为8.5 cm×8.5 cm的纸张进行扫描，纸张分别为红色与黑色。试验时，将纸张置于桌面，在室内无光照的环境下，进行扫描并记录纸张扫描所需的时间。试验结果见表3。

表3　颜色与粗糙度对扫描时间的影响

由表3数据分析可知，扫描仪对于红色纸张的扫描时间均较短，黑色纸张所用时间较长。造成时间差异的主要原因是黑色为吸光色且光滑表面的反射性较强，其漫反射成分较少，导致接收到的信号较少，粗糙度增加了其表面的漫反射成分，因此扫描仪接收到的信号增加，最终使得扫描时间缩短。

4.仪器体积精度测试

体积精度分析试验主要利用扫描仪对球靶标及工业标准件进行扫描并三维建模，将得到的球靶标与标准件的模型体积与其标准体积进行对比，通过两种体积的差值分析手持式三维激光扫描仪的体积精度。

首先利用扫描仪分别对每个目标进行完整的扫描，由扫描数据进行三维建模，扫描数据与所建模型见表4。

计算出各三维模型的体积并与标准体积进行比较，根据厂家提供的标称精度可得4种材料体积的允许误差，具体数值见表5。

由表5可知，对于球靶标及圆柱体而言，其体积差值均在标称精度的允许范围内。但另外两个标准件的体积精度却超出了其标称精度的范围。分析原因可能是由于本次试验选用的标准件为不锈钢材质，镜面反射成分较多，另外长方体与正方体边缘效应的影响，也会带来体积偏差。综上分析可知，本次试验的手持式扫描仪对于一般物体的扫描数据的体积精度可以达到厂家提供的标称精度。但对于有些特殊物体，如某些带有镜面反射的物体及有边缘效应影响的物体，其体积精度则难以达到标称精度。

表4　体积精度测试材料与三维模型

表5　体积精度分析数据　mm3

三、结束语

本文根据不同误差来源对EXAscan手持式三维激光扫描仪的精度进行了测试与分析。由内符合精度测试试验结果得出该仪器的内符合精度很高，仪器内部稳定性较好；而仪器的扫描数据精度也不受颜色与粗糙度的影响，颜色与粗糙度仅仅对扫描时间产生影响；但该仪器对于边缘特征明显且具有镜面反射的物体表面的扫描效果比一般物体差，扫描结果会受到一定的影响。体积精度测试试验得出该仪器对于一般物体扫描的体积精度能达到标称精度。此外，环境因素对于扫描结果会有一定的影响，仍需要进一步的深入研究。

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Investigating Hand-held Laser Scanner Accuracy

LI Quan，CHENG Xiaojun

李泉，程效军.自定位手持式三维激光扫描仪精度测试与分析[J].测绘通报，2016(10)：65-68.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0331.

2015-12-01

李泉(1992—)，女，博士生，主要研究方向为摄影测量与遥感。E-mail: springlee329@hotmail.com

P237

B

0494-0911(2016)10-0065-04