三维激光扫描技术.docx

三维激光扫描技术激光扫描仪是借着扫描技术来测量工件的尺寸及形状等工作的一种仪器，激光扫瞄仪必须采用一个稳定度及精度良好的旋转马达，当光束打 ( 射 ) 到由马达所带动的多面棱规反射而形成扫瞄光束。由于多面棱规位于扫瞄透镜的前焦面上，并均匀旋转使激光束对反射镜而言，其入射角相对地连续性改变，因而反射角也作连续性改变，经由扫瞄透镜的作用，形成一平行且连续由上而下的扫瞄线。 由于扫瞄法系以时间为计算基准，故又称为时间法。它是一种十分准确、快速且操作简单的仪器，且可装置于生产在线，形成边生产边检验的仪器。激光扫瞄仪的基本结构包含有激光光源及扫瞄器、受光感 ( 检 ) 测器、控制单元等部分。激光光源为密闭式，较不易受环境的影响，且容易形成光束，目前常采用低功率的可见光激光，如氦氖激光、半导体激光等，而扫瞄器为旋转多面棱规或双面镜，当光束射入扫瞄器后，即快速转动使激光光反射成一个扫瞄光束。光束扫瞄全程中，若有工件即挡住光线，因此可以测知直径大小。测量前，必须先用两支已知尺寸的量规作校正，然后所有测量尺寸若介于此两量规间，可以经电子信号处理后，即可得到待测尺寸。因此，又称为激光测规。 激光扫瞄仪在工业生产在线检测产品时，利用这种非接触式而不需停机，甚至设有自动警报及回馈控制等功能。测量范围从0.25 mm457 mm之间，精度可达 。 激光扫描的原理是什么？ 原理比较简单，事实上和全息照片有着相同的原理，首先，需要将激光分成两束，一束光照射物件 ，一束直接照到底片上，使感光原件感光。从这是利用了从物体后部反射的激光束与物体前部反射的激光束所走过的距离不同，因此与直接照射的参考光束所形成的干涉条纹不同，而三维型激光扫描仪则记录了全部的条纹，也就记下了物体的立体形象，只要再用激光去照射全息图片，就可以显出物体的真面目。观看这样的图片时，只要改变观察的角度，就可以看到被前面物体挡住的部分，而且从这机关报照片中任意剪下一小块，都可从它看到物体的全貌，只是观察的窗口较窄，就好比从钥匙口看室内的情况一样。 三维激光扫描仪测控技术及回波信号处理方法的研究 近些年来，随着数字化技术的迅速发展，各种不同领域对于获取原始数据信息的需求也日益增多。其它相关技术如计算机、机械制造等的进步和发展，使人们获取信息的方法和技术变得多种多样。 三维激光扫描技术是其中一种利用激光脉冲对物体表面进行扫描从而获取其表面特征信息的技术，它适用于中近距离的宽场景、大物体的快速高精度扫描，为建立场景的三维模型提供了必要而且准确的工具。通过与计算机的连接，三维激光扫描的后处理技术可以使扫描结果得到更为广泛的应用。 本文对三维激光扫描仪的测控系统技术及通过对回波信号进行处理来提高测距精度的方法进行了深入的研究。首先介绍了三维激光扫描的特点以及国内外有关发展趋势、技术特点及难点等，根据系统要求对测控系统步进电机的细分驱动原理的实现进行了设计、分析和讨论。然后，对常用的距离计数法进行了精度分析，根据三维扫描仪的精度要求分析了采用多种提高测距精度的对激光的主、回波波形进行采集、分析与处理的方法，比较了这些方法的优点以及缺点，并通过软件进行了仿真，证明了方法的可行性。通过这些回波分析的方法，提高了三维激光扫描仪的扫描精度。 三维激光扫描仪测量方法与前景展望 首先详细论述了三维激光扫描仪测距、测角、扫描及定向的若干方法,然后通过三维激光扫描仪发展现状的介绍,及各项技术参数图表式对比、分析,得出了三维激光扫描仪测程、精度及扫描速率之间的关系。针对三维激光扫描仪的局限性,提出其会向精密定位、多功能集成、完全国产化、软件公用化等方向发展的趋势 随着信息科学技术的不断发展,三维模拟、实物重构、虚拟现实等理论的相继提出,人们对事物的认识已从平面二维空间,逐渐转向空间三维立体思维模式。三维激光扫描仪的出现解决了这一实际问题,通过三维激光扫描技术,又称“实景复制技术”,以其非接触、扫描速度快、获取信息量大 三维扫描仪与逆向工程关键技术研究 随着计算机技术的发展,工业生产、影视制作、服装设计、医疗诊断和军事训练等领域提出了一个越来越迫切的要求:快速获取物体的三维模型。三维扫描仪就是一种能够直接得到物体的原始三维信息的计算机输入设备。这种从实物样件获取产品数学模型的技术,称之为逆向工程。我们研制的三维扫描仪系列产品集光学、机械、电子、自动控制、数据采集、图像处理等诸多领域的知识为一体,是具有重大应用价值的高科技产品。 本文在国家自然科学基金(69775022)和“863”高技术研究发展计划(863-306-ZT04-06-3)的资助下,对三维扫描仪系统进行了理论研究和技术实现,重点研究了三维信息获取和逆向工程中的几个关键技术:系统定标、数据修补、点云压缩、三维重建、网格简化等。 本文首先系统总结了现有三维信息获取技术,简要介绍了常见的几种三维扫描仪产品和今后的发展趋势,提出了三维数字化基本流程和关键技术。 三维扫描仪按照信息获取方式的不同可分为接触式和非接触式两大类。接触式使用测头直接触碰物体表面,根据测量装置的空间几何结构得到测头的坐标; 非接触式主要基于计算机视觉原理,从摄像机拍摄的图像中获取目标的三维信息。考虑到不同的应用场合,我们分别研制了接触式多关节机械臂三维扫描仪(3DLCS-400)和非接触式结构光彩色三维扫描仪(3DLCS-200)。本文简要介绍了这两种三维扫描仪的系统原理、系统构成以及工作流程。 系统结构参数偏差会导致坐标测量误差,为提高测量精度,对三维扫描仪进行定标,以获得尽可能准确的实际结构参数是非常必要的。本文针对非线性系统的多参数定标问题,结合最小二乘法和遗传算法各自优点,提出了一种收敛速度快,又有较高精度的混合智能算法。首先通过改进的最小二乘法计算得到问题的次优解,以此作为遗传算法的基因中心值,并将基因范围动态缩小进行进化计算,从而获得最优解。该算法解决了传统方法遇到奇异阵无法求逆的困难,克服了一般遗传算法效率太低的缺点,大大提高了定标的速度和精度。 在三维扫描仪对物体扫描过程中,由于各种因素的限制,可能导致物体某些 三维激光扫描技术及其工程应用研究 三维激光扫描技术是近年来发展起来了一门新技术，其被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”。该技术作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用。随着科学技术的创新，推动了各个领域工作新方法的开展。传统的地质调查方法在某种程度而言费时、费力同时存在调查人员的人身安全问题，并且有时难以获得令人满意的结果。结合三维激光扫描的技术优势将其应用到岩土、地质工程领域中，作为传统的地质调查方法的有益补充，具有重要的理论与现实意义。 (1)本文首先介绍了三维激光扫描技术的国内、外研究现状，针对激光扫描仪的硬件设备进行了详细的分类；三维激光扫描技术的基本原理及误差分析，简要探讨了三维激光扫描技术与传统测量方法的区别。 (2)针对本次论文中所大量应用的ILRIS 3D激光扫描仪及后处理软件Polyworks 80进行了较详尽的介绍，包括了三维数据的获取、处理、解译、获取信息等整个过程。 (3)将三维激光扫描技术应用到岩土、地质工程领域，针对其在工程应用中的一些问题进行了分析，包括坐标转换、地质信息的识别与解译及地质结构面参数的计算方法研究。 (4)通过所做的大量工程实例，探讨三维激光扫描技术在工程应用中的方法及优势，总结三维激光扫描技术的工程适用性及存在的问题并分析实际工程应用效果。 研究结果表明三维激光扫描技术在岩土、地质工程领域获取空间数据的快速性、高效性、高精度和高分辨率特性是传统测量、调查方法不可比拟的，该技术在本领域有着广泛的应用前景。 逆向工程技术的研究与工程应用 在逆向工程及快速成型的过程中，要考虑到很多因素。包括逆向工程中的数据测量、数据处理、曲面重构以及快速成型的原理、分类、特点等，以及RE和RP的集成。 本文主要是对逆向工程及快速成型技术做了一些分析和探讨。在概述当今逆向工程的总的情况之后，分析比较了逆向工程中常见的几种测量方法，并着重介绍和分析了以光学测量技术为主的数据采集方式及其原理，在提高测量精度方面作了一些分析。 在数据处理方面，本文主要详细分析了测量输出后的几种数据文件格式，针对这些数据文件作了一些研究，利用现有的开发工具和软件，作了一些尝试。比如利用VC6.0开发了程序，可以计算三角片的法矢量、三角片的一些特征信息，以及狭长三角形的判断，特别是分析了除最小角之外的两个判断标准：外接圆和内切圆半径之比值Rr，以及三角形的不等边度E，及它们与最小角之间的一致关系。 在分析STL格式文件的基础上，本文给出了三角网格中顶点V棱边E三角片F的关系三维模型，提出了它们之间的关系式R(V，E，F)。在实践中，打通了从ATOS到Surfacer以及后续CAD通用软件(如UG等)的一条线，解决了一些问题。然后对基于点云的三角化成型方法作了研究，讨论了三角Bezier曲面片的成型方法。 为了拓宽逆向工程的应用，考虑到短期内很多企业无法购买较贵的专用软件，本文还根据(*.asc)数据文件编写了面向AutoCAD的接口程序，实现了点云数据及三角网格数据在最通用软件AutoCAD的可视化。 接着简单地比较和分析了快速成型中较实用的几种方法，以期得到工程实际应用中的合适路径。 在面向工程应用的逆向工程系统环境一章中，主要是介绍了以ATOS、Surfacer、UG构成的逆向工程处理链。比较详细地叙述了关于ATOS光学测量系统及其测量流程和测量中为提高测量精度而采取的一些措施。在利用Surfacer软件处理基于散乱点云的曲面重构一节中，提出了在稀疏点处根据周围的一些点增添新点及坏点删除修改点云模型的实用路子。 最后结合RE、RP在内燃机气道等模型中的应用，作了一些分析和探讨。本文对发动机气道模型的逆向工程做了一些探求，并提出了在逆向工程中结合正向设计重构气道模型的一种方法，并通过气道模型的逆向工程与快速成型相结合，最终获得较满意产品。