便携式3D激光扫描仪成像原理与三维重建

文/张仕林 马创 张雨薇 王 雪，上海电机学院

便携式3D激光扫描仪成像原理与三维重建

文/张仕林 马创 张雨薇 王 雪，上海电机学院

现有的扫描仪存在体积较大、便携性较差、扫描精度不高、定价不够平民等诸多不足，本项目为此设计了一款集便携性、高精度、性价比于一身的三维扫描魔盒以满足大众消费者的低成本、便携式桌面级扫描需求，同时便于用户的模型重建或3d打印。该扫描仪由8位微处理器ATmega328单片机控制，由罗技C270相机捕捉物体上激光线图像，再传送到PC端软件进行处理和重建。

Arduino；激光扫描；三维重建

三维激光扫描技术(3D激光扫描技术)是一种先进的全自动高精度三维扫描技术,高精度三维建模和逆向工程重构会用到这项活复制技术。成千上万,和数百万。复杂的场景环境被它可以深入扫描,采集各种大型、复杂、不规则的数据到计算机,从而快速重构目标的三维云模型。此外,各种后处理,如测空、分析、仿真、测验和投影的模拟显示,如监测、虚拟现实[2]等。

1 系统原理

本系统以Arduino Uno作为控制中心，利用线性激光和图像传感器进行数据的采集，以及使用图像处理软件进行拼接去噪，最终形成三维模型输出。该设计由四大模块构成，分别是：Arduino模块、图像采集模块、激光扫描模块和图像软件处理模块

2 系统实现

2.1 硬件实现

整个硬件部分的架构我们采用模型3D打印套件与螺杆以及电机轴承镶嵌加固的设计，先是根据主要的硬件架构模块设计出合适的3D打印套件，然后由3D打印机打印出模型，并且用锉刀、电钻等工具进行打磨，然后进行组装，利用螺母，热熔胶等固定工具将整个架构给固定好，使其达到坚固可靠的效果。

外观部分我们采用了专门的定制的亚克力圆柱作为主体外观，即内径22厘米，高8厘米，封底，以及另一个内径13厘米，高24厘米封底，才用打孔、螺丝固定、点热熔胶等方式将Arduino模块、图像采集模块、激光扫描模块等一一固定在圆柱内壁上，以保证整个硬件系统的一体性和耐久度，外层表面采用了先进的阳极氧化质感喷涂技术，使得整个硬件系统的外形，充满现代科技的艺术气息，螺丝外围由垫板裁切粘合作为保护套，既保证的外观的美观性，又能保护螺杆不受侵蚀，即有极大的实用性。棱角与弧线的碰撞使得整个硬件系统内敛又不失活力，质感足又不失科技感。

Arduino 主要由控制板与扩展板组成，Arduino Uno R3主要由ATmega328系列单片机和USB转串口电路构成。8位微处理器ATmega328片内包含32kb Flash2KB SRAM，1KB EEPROM，运行时钟频率为16MHz ,通过内部预置的bootloader程序可以直接下载程序到Uno中。ATmega328单片机产生高电平信号传输到步进电机，步进电机开始带动带扫描物体运转。罗技C270相机捕捉转动物体上激光线图像传输到PC端待用。

2.2 软件实现

本系统设计的三维激光扫描技术流程如下：

（1）影像的配准

配准是将从几个不同的站获取的数据拼接在一起以产生单个坐标系的过程。通过指定独立基站中的一个的位置和方向来确定初始坐标系。当拼接完成后，多个ScanWorlds将合并到一个新的ScanWorld。

（2）扫描输出与后续加工

激光雷达技术的最直接的结果是整体距离图像模型和三维重建模型。 图像生成的结果包括原始模型，轮廓，特征和数据模型（包括三角测量，Nurbs，简单几何模型）。最终还可以制作彩色模型，输出正射影像图和三维模型。

（3）点云数据配准算法的概述

距离影像又称点云，由无数具有灰度或彩色信息的空间点阵构成。在影像合并拼接或配准过程中，这种阵列形式可能被打乱，这时候距离影像中的点阵就变成散乱的点。

（4）三维重建与除噪声

从高密度的点云数据进行扫描物体的重建仪提取需要的数据是数据处理的重要部分，根据三维模型表示不同方式，点云数据的模型重建是三维点云数据表面的模型重建，主要构造网格（三角面片）逼近扫描物体表面。

3 实验结果与分析

整个实验过程分为三个阶段：

3.1 连接硬件与参数调节

在标定之前我们需要把激光器和相机的参数调节到合适的状态，主要是调节阙值、对比度、曝光等参数，摄像头捕捉到的最清晰最明亮的画面且使得画面中出现彩线和细腻均匀的激光线条。

3.2 标定

通过软件进行三个主校准的过程设置：

摄像机实况：相机的传感器的标定和镜头。

可以在相机上调整的设置：亮度，对比度，饱和度，曝光，帧速率，分辨率和

3.3 扫描

3.3.1 平台控制

扫描过程中有它自己的设置和调整的摄像头，激光，电机和图像处理算法和点云。

该设置可以手动调整使用此面板，他们分为以下内容：

3.3.2 使用激光：

可以选择左激光，右激光或两者。如果使用两个激光扫描时间更长，但两倍的点会被扫描。使用两个激光扫描的时间不是一个激光的两倍。

3.3.3 快速扫描：

一个可供选择的实验选项。实际上它减少扫描时间的一半，而不影响分辨率。作为一个实验选项，在扫描过程中可能出现一些错误

3.4 结果分析

实验进行的是扫描杯子，所以只有侧面和正上面的杯口可以看到，且由于杯子手柄部位会遮挡到激光的直射，所以扫描出的模型会有一个缺口，存在这一具体问题需要后期进行人工重建，以形成一个完整的，可以展示的模型。下面是实验结果，即扫描完成后的三维模型。

易被扫描的物体应具备下列特征：

（1）表面为亚光处理，不易反光

（2）尽可能地为圆柱体或类似于圆柱体的物体

（3）表面尽可能地凸起，使激光经过物体中心的线可以均匀有效地打在每一处表面的纹理上。

3.5 结论

综合来讲；整个软硬件的设计与组装方面有一定的创新性，其难点和重点就在于每次进行标定时候，由于受到光线明暗，光照对比度大小以及客观的实验场景的影响，其标定的成功率忽高忽低，，为此进行了严格的测试和反复的总结，设置好对光线影响宽容度最高的各项参数，最终实现对物体三维数据的具体扫描扫描[4]。

[1]郑德华,沈云中,刘春,等.三维激光扫描系统测量方法与前景展望[D].长春,长春理工大学,2015．

[2]郭琳娜,张吉平,柳永全,等.利用地面三维激光扫描技术进行地形测绘[J].中国科技论文，2015．

[3]杨航,徐松战,等.基于三维激光扫描的汽车零部件逆向设计[J].河南工程学院学报：自然科学版,2015．

指导老师：黎明