基于Sardauscan软件的3D扫描仪研究

范伟辉+黄秋东+张力方+解乃军+侯军明

摘要：文章研究了基于Sardauscan软件的3D扫描仪。使用Sardauscan软件，研究3D扫描仪通过对被测物体进行非接触多角度测量，得到被测物体的关键尺寸数据，通过数据传递，被送至CAD/CAM软件平台上处理、调整、修补，从而得到该物体软件设计图纸，之后就可以根据图纸对该物体进行再加工和制造。

关键词：Sardauscan软件；3D扫描仪；旋转工作台；非接触测量；CAD/CAM软件平台 文献标识码：A

中图分类号：TP37 文章编号：1009-2374（2016）33-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.006

1 概述

非接触式扫描方法由于其高效性和广泛的适应性，得到了广泛的研究，这种新型的扫描方法在一定程度上缓解了传统扫描方法的问题，已经被广泛应用在逆向工程行业中。新型的扫描设备工作原理是通过物体表面的仿生作用收集准确的坐标数据，比如一些光现象、声现象等。最常见的是通过光学扫描，从而得到产品扫描点数据的方法。非接触式扫描方式在采集数据时，扫描头通常不与被扫描物体产生接触，从而不会对零件产生变形影响，常见的光学扫描方法的工作原理通常有结构光测距法、激光三角法、激光干涉扫描法等。

2 整体方案设计

图1扫描仪激光测距方案图扫描仪激光测距原理是基于结构光法，由高清的摄像头、线状激光发射器、旋转平台组成。下文阐述一种针对物体上点的计算方法，能够有效提升3D扫描线光源的精确度。我们可以充分发挥激光的作用测量三角间距，除了这种方法以外还有两种距离测量方法，即相位差测量法和时间差测量法。三种方法之间进行比较可以发现，三角测距法的成本较低，并且在合适的范围内，这种方法的精准度不输于其他两种方法。

图1中展现了测量对象物体点P距离激光器距离x的方案图。焦距和摄像头成像板的一种抽象表达，线光源的位置在半径为z的圆弧上，标有z的线段实际是一个固定摄像头和旋转平台的中心距离。摄像头成像平面与圆弧的切线平行，每一个线光源都在此弧线上且都与z所在线有一定的角度关系，从上到下分别是“-”到“+”。

以线光源0为例，要想准确测量出物体与线光源之间的距离，第一，需要确保线光源照射到物体上面；第二，需要让反射光成功在摄像头上成像。如果距离大小不同，就会造成摄像头上的成像光点上的x′值发生改变。在这一过程中主要可以用到下面参数：-α线光源0与z所在线的夹角；-β线光源1与z所在线的夹角；α线光源2与z所在线的夹角；β线光源3与z所在线的夹角；z：摄像头和旋转平台的中心距离；Z′：测量物体到摄像头距离；b：接收光线与成像板的夹角；P：测量物体位置；P′：测量物体的成像位置；X：测量物体相对于参考点的距离；X′：测量物体在成像板的距离；f：摄像头的焦距；O：旋转平台的中心。

如果这些参数在测距设备安装后不再改变（固定）且数值已知，则物体距离激光器距离可由以下公式求得：

α角度在设计时可得出，z可以测出：

在上述测量过程中，只有一个不断变化的数据，即x′。实际上，这个数值是指测量对象上的激光光点在摄像头上的成像与边缘之间的距离。我们可以利用摄像头来准确计算出激光点的具体位置坐标。通过上述的式子计算出二者之间的垂直距离，跟实际距离之间的误差

较小。

数据采集原理：通过三维激光扫描系统落实各项扫描工作，扫描过程中需要在第一时间收集水平方向上和垂直方向上的数据，然后计算得出激光光束的具体发射角度。激光光束是通过专门的激光发射仪器得来的，当光束与快速旋转的光学装置相遇时，光束就会自动改变角度，然后以一个全新的角度完成发射，光束到达测量对象的表面上时被反射回来，反射回来的信息由专门的接受装置完成接受。这样就完成了一项完整的扫描工作，完成扫描点的测量工作之后，我们需要让其内部的伺服部件以两个轴之中的任何一个进行小范围的转动，为下一个扫描点的测量做准备。以此类推，随着扫描工作的继续进行会出现许多个不同的扫描点，这些点之间就形成了一条断断续续的线，许多不同的扫描线之间就形成了科学的扫描面，最后再增加一些测量到的距离数据就形成了一幅三维立体扫描图像。

数据拟合原理：通过选择多个控制点的测量，得到三维旋转激光扫描系统扫描中的三维笛卡尔坐标，这样就能获取较为立体、准确的三维信息，为了更好地合并不同的扫描块，我们需要在各自不同的扫描块之间进行合理的交接区域覆盖操作，经过覆盖后的区域需要利用最近点迭代算法，然后把所有的点云进行科学的拼接。在所有的数据收集过程中，可以运用激光传感器进行物体的扫描，然后得到准确的测量数据，专业的角度传感器收集到准确的角度信息之后，利用串口储存与处理PC机数据。

3 技术路线设计

根据本项目团队的研究方向和特点，制定出下面的技术路线：（1）将样件放置于旋转工作台上；（2）工作台旋转同时光学测头进行点云数据采集；（3）将采集数据传输到数据处理软件；（4）以处理后的数据为基础进行三维建模；（5）将模型与样件进行比对并保存。

4 电气原理图设计

通过USB把arduino nano控制板与PC上位机通信，控制步进电机的旋转，带USB接口的摄像头对数据的采集、线状激光器一次对一条线而非单点的目标物体进行扫描测距。步进电机带动转盘旋转，从而可以实现3D扫描，获得物体的结构信息。

5 软件安装与调试

5.1 Sardauscan软件

本软件是一种低成本开源3D激光扫描系统软件（Sardauscan），该系统基于结构光法原理，由高清的摄像头、线状激光发射器、标定板搭建而成。系统分为背景设置、相机标定及数据采集等部分。实验结果表明，此系统能够完成对物体的三维扫描过程，具有成本低、性价比高的优点。

5.2 Arduino IDE软件

Arduino IDE是Arduino的开放源代码的集成开发环境，它的界面简单明了，操作比较方便，这些都推动了Arduino的程序开发。作为一款开放源代码的软件，Arduino IDE也是由Java、Processing、avr-gcc等开放源码的软件写成，其另一个最大特点是跨平台的兼容性，适用于Windows、Max OS X以及Linux。

5.3 调试

5.3.1 打开软件操作面板。

5.3.2 摄像头调试。连接并选择摄像头USB串口以及像素选择，测量出转盘中心到摄像头的高度距离，转盘中心到摄像头的水平距离，每个激光器相对于摄像头的角度。

5.3.3 电机调试及线光源调试。连接线路，连接并选择USB串口，调试电机是否转动，使用速度测试仪对转盘进行测试。

调节线光源的激光线的直径，检查线光源是否运行正常，调整每个线光源相对于电机旋转中心的位置。

5.3.4 调试过程中的错误及解决方法。

第一，编译失败。解决方法：（1）检查语法是否错误；（2）检查相关库文件是否完全。

经排查缺少库文件库文件下载网址https：//github.com/adafruit/AccelStepper，下载库文件.（zip），在arduino项目中找到加载库添加.zip，重新验证上传。

第二，电机串口连接没有显示。解决方法：软件与串口连接反应慢，等待几分钟即可。

5.3.5 扫描步骤。（1）将样件放置于旋转工作台上，注意物件的中心与转盘的中心重合；（2）打开软件操作面板；（3）点击扫描平台图标，完成串口设置；（4）点击摄像头图标，完成对软件串口的设置；（5）完成各项调试，快速扫描物体形成图像，调整对其每个激光器扫描出的图像；（6）点击扫描图标，获得参数并保存文件。

5.3.6 文件后处理。（1）将采集数据传输到geomagic软件中进行数据预处理；（2）将geomagic处理后的数据导入UG进行参数化设计，导出转换格式进行加工；（3）将模型与样件进行比对并保存。

6 结语

本文的设计理念是我们所有工作人员的努力成果，经过导师的认真引导成功完成了实物模型。基于此，我们还认真验证了自己的设计方案，制作出一套成品以及完成上位机软件的编写。本设计体现出了团队的重要性，同时体现了学生的创新能力，团队的所有成员都得到了一次锻炼。

参考文献

[1] 吴俣.三维旋转激光扫描系统设计与实现[D].首都师 范大学，2009.

[2] 杨必胜.数字城市的三维建模与可视化技术研究[D]. 武汉大学，2002.

[3] 蔡岭.基于立体视觉的目标检测与跟踪[D].上海交通 大学，2011.

作者简介：范伟辉（1995-），江苏盐城人，南京工程学院学生，研究方向：机械设计制造及自动化。

（责任编辑：黄银芳）