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如何正确选择三维扫描系统
作者:沈阳百格机器人有限公司 李刚
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三维扫描仪展厅
三维激光扫描仪, 激光跟踪仪, 3D点云软件, ...
目前国内市场上有很多种国产和进口的三维扫描仪类产品。但每个产品都是针对特定的应用领域开发的。如果选择不合适的设备就根本无法使用或满足用户的要求。本人从1982年在中科院沈阳自动研究化读研时就开始从事基于结构光的3D图像获取和处理。从1990年到1995年底在德国Karlsruhe大学机器人研究所从事3D图像特征提取和3D物体识别工作(见www.3dom.com.cn)。本人与曾经3届连任德国图像处理协会主席的Mr.Stiefvater合作十多年。这些经历使得本人对三维扫描仪类产品的工作原理,使用时的注意事项多有了解。下面就结合本人的经验谈谈如何正确选择三维扫描系统。

在选择扫描系统前务必清楚采购该类系统的目的,要检测的对象和检测要求等。下面几点是非常关键的:

1 检测的物体是静止的还是运动的

首先要知道被测量的物体是静止的工业零件,如发动机叶片,汽车钣金件等,还是动画类的人体扫描等。对动画建模中的动物或人体扫描就要采用专用的扫描系统。目前市场上的三维扫描系统大体是两类。一种是一次扫描一行,然后再把很多扫描的数据用软件拼接起来。这类系统一秒获取几万的数据。但不适合运动物体的扫描。比如扫描人脸。整个扫描要几分钟,扫描时间太长,被扫描的人难免有微小的运动和姿态的变化,所有每次扫描很可能对应不同的姿态。最后合成的点云是不理想的。

第二类是采用面阵相机,一次扫描就获取一个面的点云数据。但面阵相机也分行曝光和场曝光两种。一定要选用场曝光的高速相机扫描系统。德国博尔科曼公司的人脸扫描仪和人体扫描仪都是采用高速场曝光相机的扫描系统。

2 需要彩色信息吗?

如果是动画类和文物扫描应用,最好选用彩色3D扫描系统。它不仅能获取物体表面的3D几何数据,还能获取彩色图像。目前进口的高档产品中,德国博尔科曼公司的扫描仪可以带彩色信息。还有的公司介绍说把用其它彩色相机摄取的图像可以粘到点云图像上。本人认为这是非常粗略,非常不精确的方法,是不能真正应用的方法。

3 被测物体多大?

一般来讲高档的扫描系统可以选配不同焦距的镜头来改变扫描区域。也有的公司如德国的博尔科曼公司的扫描系统可以改变两个相机间的距离来改变扫描区域。要改变相机位置和更换镜头而保证精密测量性能在技术上很难做到。扫描区域及扫描精度是几乎成反比的,就是说扫描区域大,测量精度就低。一般的扫描系统的扫描范围从60mm到1000mm。扫描范围越小,测量精度越高,系统也越难制造。如果单个扫描仪在扫描区域和精度能满足测量要求,就不要选择三维摄影测量系统,否则就还要选购三维摄影测量系统。如扫描测量风力发电的叶轮,飞机机翼和军舰的外形等就必须用三维摄影测量系统。

如果被测量的物体不是特别大,拍照10幅左右就能全部覆盖物体的表面,选择单一的扫描系统就可以。但这取决于系统的质量和处理软件。有的公司的产品三次扫描或三次以上扫描时就必须配备一台数码拍照三坐标测量系统。

4 被测物体表面可以贴标记吗?可以喷显影剂吗?

有些物体的表面是不能喷显影剂和贴标记的。如测量波音747飞机起降架模具,是大约3米长,1.8米高的钛合金锻压模具。当要对钛合金锻压模具修补时,必须使模具加热到300°,测量后还有200°以上。只有(在)200°以上才可以补焊上钛合金。那么这样一种300°高温的物体没法贴标记或喷显影剂,目前世界上能测量它的系统仅仅是德国Breuckmann 公司的naviSCAN系统。很多系统是基于贴标记点,靠两幅图像中3个或更多的公共标记点作为拼接的基础。但naviSCAN系统利用物体特征和精密的三坐标测量系统来实现自动拼接。

如果可以贴标志点,则采用全自动拼接技术,高速快捷。扫描软件以相邻两幅点云数据中3个或更多的公共标志点为基础,自动识别和匹配、数据全自动拼接,整个扫描过程中无需人为干预,边扫边完成自动拼接。

5. 检测精度要求

为了衡量扫描仪所得数据的精度,德国特别制定了VDI 2634-2/3标准。

VDI2634-2标准是应用于通过单幅图像完成三维物体扫描的测量 (“单图”),而VDI2634-3标准用于测量多通道中(利用多个相机或利用多幅图像)的三维物体测量系统(“多图”)。

在满足VDI2634标准的情况下,如德国Audi等公司会邀请几家公司带上自己的扫描设备,在用户处采取擂台赛的方式,最后获取的点云数据噪声少,精度高的设备被采用。这里面德国博尔科曼的stereoSCAN 是目前测量精度最高的设备。其测量精度最高可达0.004mm。

除了要考虑设备单幅扫描测量数据的精度,还要考虑三维摄影测量系统的精度及合成后的精度。目前世界上三维摄影测量方法测量精度最好的是德国AICON和瑞典的Metronor公司的产品。

德国博尔科曼公司的扫描系统采用玻璃雕刻结构光方式,就是说把各种结构光图案雕刻在玻璃上,靠电机带动玻璃运动来选择不同的光照图案。为此博尔科曼还申请了专利。而国内企业采用电脑合成结构光方法,光线的精确度就大大降低,使得整个扫描设备的测量精度也随着大幅降低。

6 扫描速度

系统扫描的扫描速度和后续处理速度也很重要。比如德国博尔科曼的stereoSCAN 5MP系统在0.98秒内可以完成5百万点的测量。而很多常见的系统要用几秒钟。当对大型复杂物体进行扫描时,可能要扫描上百次。采用stereoSCAN 5MP可能要60分钟,其中粘标记点花掉不部分时间,而采用慢速系统要用几个小时。如果采用naviSCAN系统,不用粘标记点,大约10分钟就扫描完了。

还有就是标定的复杂程度和费时程度也要考虑。Breuckmann的扫描系统从更换镜头到完成一次标定,通常仅需要5分钟时间。

7.扫描系统的强度考虑

由于扫描系统测量精度受相机位置,投影仪位置和镜头位置的影响很大。当人们移动扫描系统来工作时,特别是当把扫描仪翻过来使用时,会影响精度。有些系统事先标定好了,用车载到另一地方使用,精度就下降了,必须再次标定,这很不方便和费时。目前可以在任意方式扫描后不用重新标定的系统就是德国博尔科曼的stereoSCAN。另外系统的重量越轻越好,便于使用和携带。

8 后续处理软件能力及兼容性

扫描得到的点云数据是用来干什么的?是逆向工程还是机械加工?所得到的点云数据与逆向工程或机械加工用CAD/CAM软件兼容吗?扫描软件提供拼接,人工修补,与CAD模型对比检测和边缘检测等功能模块吗?通常这些软件功能模块是收费的。

9 对使用环境的要求

有些设备对周围环境光的要求很苛刻。比如日光灯可以点亮吗?在车间里正常照明强度下可以工作吗?还有的物体不能喷显影机但自身反光。有的扫描设备由于自身机械强度不好,对振动等要求很严格,比如关门产生的震动会影响其测量精度。在车间现场工作时要有三防处理,即防油,防尘和防水。德国博尔科曼公司在众多行业几十年的应用中不断完善,在对周围环境防光,防震动,防尘等方面做得非常优秀,是适应性和通用性最强的系统。

10 是否具有相应的成功案例

购买三维扫描仪的客户需要的是一个完整的解决方案,用来完成特定的三维扫描数字化等任务。所以在选择设备时,务必要看厂家是否有类似的成功案例,最好是有最终用户对使用情况的报告。目前需要三维扫描的行业和领城越来越多,每个领域都有自己的特点和要求,相应的功案例体现了设备的适应能力和厂家的研发能力。最后看多个案例及相近行业的应用,设备厂家销售的设备越多,时间越长,所积的经验也越多。

当然完善专业的售前售后技术支持也非常关键。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (10/15/2009)
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