非接触三维扫描测量数据的处理研究

王喜华

摘要：社会在不断的进步，我国工业也在飞速的发展，因此工业中对于实体造型设计的要求也越来越高。在造型设计中，非接触式三维扫描技术是获取数据的主要方式之一，同时在对实物进行扫描并通过计算机对数据进行处理的过程中，非接触式三维扫描技术的作用也不容小觑，其对于后续构建实物的三维立体模型起着决定性作用。本文主要通过一个实物模型为例，将非接触式三维扫描技术对数据进行处理的全过程进行了详细的介绍。

关键词：数据处理;三维扫描;非接触式;研究

随着科技的不断发展，三维数字化技术逐渐趋于成熟，非接触式三维扫描技术在工业造型的设计中被应用的越来越广泛，由于利用这种测量技术采集出的数据往往分布的十分密集，因此通常将其称为“点云”[1] 。而点云中出现影响曲面构建的噪声点以及杂点往往是无法避免的，因此在构建曲面之前就需要对这些噪声点进行相应的处理，比如点云的拼接对其以及剔除噪声点等操作，这样才可以有效确保最终测量结果的准确度。

一、非接触式三维扫描对测量数据的处理分析

（一）对失真点及噪声点的处理分析

由于各种外界因素的影响，在采用非接触式三维扫描技术对实物进行测量时，出现一些误差也是不可避免的，这些误差即失真点以及噪声点[2] 。因此，要想保证测量结果的准确度，需要严格的查找失真点，并将噪声点进行剔除。关于查找失真点，一般可采取如下两种方式：直观检查法，这种检查方法主要是利用人力，通过人眼直接对数据点进行查找，由于图形会通过终端显示出来，这时候就可以通过人眼进行筛查，将偏差比较大或者数据点过于集中的地方剔除掉，但是由于这种检查方式是人为操作的，因此存在一定的局限性，一般只在数据的初步检查阶段会采用该检查方式;曲线检查法，这种检查方式的是将需要检查的数据点，通过最小乘法的方式进行曲线绘制，绘制完成后，阶数就可以根据曲线截面的大小来确定，最后再分别计算出各个中间点距曲线的距离大小，如果最终计算出的距离不在允许误差范围之内，则这一点即为可剔除点。不难看出，曲线检查法相对于直观检查法其准确性会更高，而且适用范围也比较广，适用性也较高。而对噪声进行剔除时，利用相关的专业软件就可以进行操作。

（二）对数据进行精简处理

由于利用非接触式三维扫描技术进行扫描时，其测量出的数据点云数量非常庞大，如果将所有的数据点云直接构建曲面，如此庞大的工作量不仅会严重消耗计算机资源，还会严重影响最终的数据处理进度，因此在对所测量数据进行失真点处理以及噪声点剔除之后，还需要将筛选过的数据进行精简处理[3] 。对数据点云进行精简处理的原则为：不同的点云类型，所用的精简处理方式也会有所不同，如果点云处于扫描线上，则通常采用等间距法对其进行精简处理;如果点云位置相对散乱，通常情况下会采用随机采样的精简方式。如果要扫描的地方曲率比较小，保留少部分的数据点即可，反之，如果扫描的地方曲率比较大，就需要保留多一点的的数据。不仅如此，在对所测数据点云进行精简处理的过程中，一般还会用到非均匀网格法以及均匀网格法两种方法。非均匀网格法可以根据不同被测物体的不同外形对其进行精简处理，因此比较适用于较对为复杂的零件对齐表面数据进行精简处理;而均匀网格法可以起到将原始数据进行保留的作用，因此比较适用于结构相对简单的零件。

（三）对数据进行平滑处理

由于对数据点云进行处理的过程中，产生随机误差的情况是不可避免的，而这些误差很可能会导致后续在建构曲面时出现各种质量问题，影响三维实体模型的最终搭建。因此在构建曲面之前需要对简化后的数据点云进行平滑处理，具体方式如下：高斯滤波法，这种方式可以将一定区域内的高频噪点进行有效剔除，同时保留原始数据;平均值滤波法，通过改变点云的位置来平滑数据点。由于高斯滤波法较平均值来讲，对于数据的影响小，因此最为常用。

（四）对数据进行拼接处理

现如今，采用非接触式三维扫描技术进行测量时，常用的数据拼接方式为：采用专业的软件就可以实现对多片块点云数据进行拼合对齐，通过分块測量所得到的数据，一般来说可看作是一个刚体，对其进行拼接处理时就可将问题直接转化为三位刚体的坐标转换，以提前指定的最佳匹配规则为基准，把重叠的2片点云通过坐标的变换按照最优的基准进行对齐，由于3个点即可确定一个平面，因此在对点云数据进行测量时就可以建立一个用于对齐的3个点作为准基点，这样就可以实现将三维数据的多视点的统一，因此这种基于3个准基点的方式在工程中较为常用;通过专业的测量装置进行处理，这种方式需要专门设计一个工件自动移动的装置，这样就可以实时记录测量过程中工件的转动角度等。

二、应用实例的分析

本文利用非接触式三维扫描技术，主要以鼠标的实体模型为例进行扫描，并对数据进行一系列处理，最终获得鼠标的三维立体模型，处理及分析过程如下所示：

（一）对点云数据进行导入处理

在扫描结束后，需将计算机中的4个鼠标模型的点云文件进行导入[4] 。导入时，为了确保后续的处理步骤不受影响，可以选取4个不同的颜色来代表4个鼠标的点云。

（二）对噪声点进行剔除处理

测量时，通常会通过扩大扫描范围来避免模型边缘的数据丢失，但这样一来又会导致出现很多不相干的数据点，这些数据点即为噪声点。为了保证最终测量结果的准确性，并确保后续环节可以照常进行，需要先剔除这些噪声点，经过剔除噪声处理的鼠标模型为图1。

（三）对点云数据进行拼接处理

在进行拼接处理时，有以下几点问题需要特别注意：注意点云数据的拼接顺序，应该按规定顺序进行拼接对齐;确保两片点云拼接公共部分的3个点不在同一条直线上;完成拼接后，通过计算机中的专业软件对数据进行高精度的对齐拼接处理。

（四）对点云数据进行精简处理

上文对于对点云数据的精简处理进行了详细分析，本文所选取的实体模型为鼠标，从图1可以看出该模型并不是简单的零件，属于相对复杂的，因此需要利用非均匀网格法对该点云数据进行精简处理，精简处理后的结果如图2所示。

结语

综上所述，在对非接触式三维扫描技术测量出的数据进行处理时，关键的步骤包括：对失真点及噪声点进行剔除、对数据进行精简处理、对数据进行平滑处理以及对数据进行拼接处理[5] 。在剔除噪声点时需要小心谨慎，避免丢失重要的数据信息，在对数据进行拼接对齐时，可以通过确保两片点云拼接公共部分的3个点不在同一条直线上来作为对齐标准。如果前期将点云数据处理到位，后续的造型设计可以说已经成功了一半。

参考文献：

[1] ]张岩，王万德.建筑结构风荷载的三维数值模拟[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2006（01）：16-17.

[2] 李国栋.非接触三维扫描测量数据的处理研究[J].工程建设与设计，2018，（14）：266-267.

[3] 何耀华，荣辉.非接触三维扫描测量数据的处理研究[J].重庆工学院学报，2006，20（5）：33-35.

[4] 廉旭刚，蔡音飞，胡海峰.我国矿山测量领域三维激光扫描技术的应用现状及存在问题[J].金属矿山，2019，（3）：35-40.

[5] 郑鹏，韩雨萌.大型复杂零件的三维扫描测量精度研究[J].电大理工，2016，（3）：15-17.

（作者单位：辽宁省交通高等专科学校）