数字化玉雕：三维立体扫描设备助力成果

第五节　三维立体扫描设备

随着科技的发展，现有的三维扫描仪被用于逆向工程的3D数据采集，成为数字化玉雕的逆向工程中的必备设备。三维扫描仪在数字化玉雕技术中的广泛运用可以提高工作效率，降低劳动成本，推动经济效益，也是当代数字化玉雕工艺发展的必然趋势。三维扫描仪是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据。三维扫描仪的用途是把搜集到的数据用来进行三维重建计算，创建物体几何表面的点云，这些点可用来插补成物体的表面形状，创建实际物体的数字模型，越密集的点云可以创建更精确的模型（这个过程称做三维重建）。

三维扫描仪可模拟为照相机，它们的视线范围都呈圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色信息，而三维扫描仪测量的是距离。由于测得的结果含有深度信息，因此常称为深度图像或距离图像。

由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此常需要变换扫描仪与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘上，经过多次的扫描以拼凑物体的完整模型。将多个片面模型集成的技术称为图像注册或对齐，其中涉及多种三维比对方法。

三维扫描仪分类为接触式与非接触式两种，后者又可分为主动扫描与被动扫描，这些分类下又细分出众多不同的技术方法。

一、三维扫描的工作原理

1.三维激光扫描仪的工作原理

扫描仪对目标发射激光，根据激光发射和接收的时间差原理，得到一个被测点与扫描仪的距离量测值。然后利用这个距离量测值，对测量该数据时同时记录下来的扫描仪垂直和水平两个方向的步进角度值进行计算，得出被测点上的X、Y、Z的相对三维坐标。这个带有三维坐标值的点，被送到计算机上记录并显示出来。众多个点依据各自的空间坐标排列，形成目标的空间数据点云，点云也就揭示了目标的形体和目标空间结构。

2.三维激光扫描的精度

精度是指量测值与真值的符合程度。激光扫描仪精度一般有两种指标，单点精度和模型化精度。其中模型化精度是指通过计算机软件把点云建成目标空间结构几何模型后的精度。模型化后的精度一般显著高于单点精度。

3.精确度

精确度是指对同一点进行两次或多次量测数据之间的符合程度。

4.扫描成果的使用和提高精度的方法

可以通过计算机软件处理扫描数据点云，自动在计算机上建立出目标结构几何模型——称为模型化或建模过程，使用模型上的数据可迅速地完成后续绘图，以及图形或结构空间数据分析工作。模型化的过程实际上是一个校正误差的过程，也是一个增强可视性，使后续工作易于开展的过程。模型化前的空间数据点云的采集应完整，否则将影响建模质量或形成“漏洞”；另外，建模需要专门的应用软件。

通过高密度扫描或多次扫描，可以获得高质量的点云。把点云简单处理后可以直接输入到计算机，并可直接利用CAD软件工具制图。各类CAD软件在国内很普及，设计人员一般都比较熟悉，可根据用户需求直接做出各种工程图纸。点云密度越高，精度自然就高，但有两点问题要注意:第一是国内大部分人员使用的PC机的配置一般都比较小，点云数据太大了，一般计算机运行不了；第二是点云表现出来的物体在CAD软件上通常不好识别，这就需要使用贴有物体彩色照片并能够表现纹理的点云，更为方便的是直接使用自身带有色彩的点云。

二、三维扫描技术的简介

三维扫描就是测量有形物体表面的三维坐标数据，而每一个数据（点）都带有相应的X、Y、Z坐标数值，这些数据（点）集合起来形成的点云，就能构成物体表面的特征。下面以如表3-5-1所示的形式对三维扫描发展历程进行说明。

表3-5-1　三维扫描发展历程

逆向工程技术发展至今，在数据处理、曲面拟合、规则特征识别、专用软件开发等方面已取得了很大的进步。但在实际应用中，整个过程的自动化程度并不高，许多工作仍需由人工完成，技术人员的经验对最终产品的质量仍有较大影响。为了解决这些问题，还需在以下几个方面进行深入的研究。

（1）数据测量。开发面向逆向工程的专用测量系统，能根据实物的几何外形和后续应用，选择测量方式和测量路径，最终快速高效地实现产品外形的数字化。

（2）数据处理。研究适应不同的测量方法及后续用途的离散采集点的数据处理技术。

（3）软件技术。开发智能化软件，拟合曲面应能控制曲面的光顺性和光滑拼接。能够进行有效的特征识别和考虑约束的模型重建，研究复杂曲面的识别和重建方法。

（4）集成技术。开发基于集成的逆向工程技术，包括测量技术、基于特征和集成的模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等，操作简单、易于上手。

三、接触与非接触式测量

（一）接触式测量法

接触式测量法是用机械探头接触实物表面，以获取玉雕件表面上点的三维坐标值。接触式测量法具有测量精度、准确性及可靠性高，适应性强，不受玉雕件表面颜色影响等优点，但测量速度慢，无法测量表面松软的实物。

三坐标测量机CMM是目前广泛使用的，集机、光、电、算于一体的接触式精密测量设备。它一般由主机、测头和电气系统三大部分组成，其中测头是三坐标测量机的关键部件，测头的先进程度是CMM的先进程度的标志。三坐标测量机的测头可分为硬测头（机械式测头）、触发式测头和模拟式测头三种。硬测头主要用于手动测量，由操作人员移动坐标轴，当测头以一定的接触力接触到被测表面时，人工记录下该位置的坐标值，由于采用人工测量同时对测量力不易控制，因此测量速度很慢（测头每接触一次只能获取一个点的坐标值），测量精度低，但因价格便宜，目前使用仍较普遍。触发式测头是英国Renishaw和意大利DEA等公司于20世纪90年代研制生产的新型测头。触发式测头的最大功能是它的触发功能，即当探针接触被测表面并产生一定微小的位移时，测头就发出一个电信号，利用该信号可以立即锁定当前坐标轴的位置，从而自动记录下该位置的坐标值。这种测头测量精度可达0.03mm，测量速度一般为500点/s，具有测量准确性高，对被测物体的材质和反射特性无特殊要求，且不受表面颜色及曲率影响等优点，缺点是不能对软质材料物体进行测量，测头易磨损且价格高。触发式测头是一种很具有发展潜力的测头。

1.接触式测量的优点

（1）因接触式探头技术发展了几十年，其机械结构与电子系统已相当成熟，故有较高的准确性和可靠性。(https://www.daowen.com)

（2）接触式测量可以直接接触玉雕件表面，故与玉雕件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。

（3）被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可精确测量出物体的几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球。

2.接触式测量的缺点

（1）为了确定测量基准点而使用特殊夹具，会导致较高的测量费用。不同形状的产品会造成原来的夹具不适用而使成本大幅度增加。

（2）球形的探头容易因接触力造成磨损。为了维持一定的精度，需要经常校正探头的直径。

（3）不当的操作容易损害玉雕件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏。

（4）逆向工程技术接触式触发探头是以逐点进出方式进行测量的，所以测量速度慢。

（5）检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径时，触发头的直径必定要小于被测内圆直径。

（6）对三维曲面的测量，因传统接触触发式探头是感应元件，测量到的点是探头的球心位置，故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿，因而可能会导致修正误差的问题。逆向工程技术测量某一曲面时，假设此时探头正好定位在此被测点的表面采用方向上，探头尖端与被测检之间的接触点为A，A点至其球心C点有一偏差量产生，而实际上要求的位置是接触点A，所以沿法线负方向必须补正一个探头半径值。整个曲面补正需繁杂的计算，同时这也是测量误差的来源之一。

（7）接触探头在测量时，接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数。

（8）逆向工程技术测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。

（9）由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越现象，速度趋近会产生动态误差。

（10）另外，测量接触力量即使一定，而测量压力并不能保证一定，这是因为接触面积与玉雕件表面纹路的几何形状有关，不能保证一致。

（二）非接触式测量法

非接触测量法根据测量原理的不同，有光学测量法、超声波测量法、电磁测量法等，其中技术较成熟的是光学测量法，如激光扫描法和莫尔条纹法等，其中激光扫描法又分为激光三角法、激光测距法、结构光法、数字图像处理法、干涉法等。

1.非接触式测量的优点

（1）不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是玉雕件表面的位置。

（2）测量速度非常快，不必像接触式触发探头那样逐点进行测量。

（3）薄玉石件、不可接触的高精度玉雕件可直接测量。

2.非接触式测量的缺点

（1）测量精度不算太高，因非接触式探头大多使用光敏位置探测器PSD（Position Sensi-tive Detector）来检测光点位置。目前PSD的精度还不够高，为20μm以上。

（2）因非接触式探头大多是接收玉雕件表面的反射光或散射光，易受玉雕件表面的反射特性影响，如颜色、斜率等。

（3）PSD易受环境光线及杂散光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难。

（4）非接触式测量只能做轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较难。

（5）使用PSD做探测器时成像镜头的焦距会影响测量精度，因玉雕件几何外形变化大时成像会失焦，成像模糊。

（6）玉雕件表面的粗糙度会影响测量结果。

下面按照表3-5-2中的形式对接触式与非接触式扫描仪的技术对比进行说明。

表3-5-2　接触式与非接触式扫描仪的技术对比