【文章內容簡介】 形成漫反射光斑作為傳感信號用透鏡成像原理將收集到的反射光匯聚到成像透鏡的焦平面上此處放置光電接收器PSD或CCD，LCD等光電敏感器件當漫反射光斑隨被測物體表面起伏時成像光點在光電接收器上做相應的移動。根據(jù)像移距離的大小和傳感器的結構參數(shù)可以確定被測物體表面的位置量激光束如同接觸測量的機械探針可確定被測表面測點的位置。，L—成像透鏡，N—成像屏，f —成像透鏡的焦距，Lo —成像透鏡L的物距，Li —成像透鏡L的像距，O—L 光軸與入射光線i的交點，P—物面上的光點，P′,O′分別是P，O的像點，h—物面上光點相對于基準面的M的高度，α—漫反射光入射角，M′—目標平面，M—參與平面。 由幾何光學原理可得：1Lo+1Li=1f ()h*cosαh`=Lo*h*sinαLi ()整理式（）得：h=Loh`Li*cosα+h`sinα ()式2. 3 中：Lo，Li ，α是系統(tǒng)參數(shù)，都是固定值，這樣可以由h′計算出h。當光源投射的光點擴展成為光條時，就構成光切法；當多個相同的光條同時投射時，即構成條紋投影法。當投射的光條在時間或空間進行編碼時，構成編碼圖像投影法。在條紋投影中應用三角原理求輪廓高度時，關鍵是通過分析光強分布規(guī)律，準確找到條紋中心對條紋中心但其非線性誤差較大而且受被測曲面傾斜和特征（如顏色，光澤等）影響嚴重其測量精度隨著入射角(激光束與被測點法向矢量間的夾角)的增大而降低，當入射角超過一定角度時會出現(xiàn)盲區(qū)使得測量失效，一般被測面傾角不宜大于45度所以光學三角原理通常是與其他方法結合以獲得高數(shù)據(jù)獲取精度和穩(wěn)定性。 一個正弦變化的條紋投影到被測表面，從初始相位角開始，條紋按照相位角遞增的方式投影到被測表面,所以投影過程中條紋就好像滑動過整個被測表面,每個CCD像素的讀入也以正弦的方式變化，其周期與該條紋的周期相同，但是其相位角與樣件表面的高度相關。將光柵條紋投影到被測物體表面時，變形光柵像可以認為是由于三維實物面對投影柵像的相位和振幅調制的結果。因此，可以通過通信理論中的解調方法求得因高度變化引起的相位變化，由相位和高度關系求出相對參考面的高度信息。 。投影裝置經光心O投射光柵像至物體表面，并取其中的一條光線OA進行考查。當被測實物未放在參考面上時，光線在A點反射經CCD透鏡中心C到達CCD光敏面上一點。當被測物存在時，對于光敏面上的同一點與光心C的連線與被測實物相交于D點，而對應于D點的參考面上的點為B，即由于高度的調制，使得在D點的相位發(fā)生了變化。假定投影光柵光強為正弦分布，其滿足：Ir(x,y)=R(x,y){Ax，y+Bx，y*Cos(x*2πP)} （） 則經物面調制后為Ir(x,y)=R(x,y){A(x,y)+B(x,y)Cos(x*2πP)+Φ(x,y)} （） 式（）和式（）中R（x，y）為與物體表面光學特性有關的物理量： A(x,y)為背景光強，B(x,y)/A(x,y)為條紋對比度，P為正旋載波間距，Φ（x,y）為相位調制函數(shù)，包含有層面信息當采用發(fā)散光束照射光柵時，即不同的光柵級次在參考而上的條紋間距不同時，可表達為： △X=?（x,y）Po2x*(L2+Mx*X*Sinθ*cosθ)L22L2*sinθcosθMx*X*sinθcosθ2 （） Z= ?Xtgθ+?XL2+MXL2Mx*XL1+ （）X=Mx*X1Z/L1Y=My*?X(1Z/L1) （） 其中，X、Y和Z分別表示空間點的3個坐標：Mx,My為攝像機系統(tǒng)放大率?；谙辔粶y量的光柵條紋投影測量法中相位測量主要分為兩大類:時域相位測量和空域相位測量。時域相位測量主要是按一定的相位間隔移動投射條紋，多次采集變形光柵像，由多幀圖像求出位相的變化。典型代表方法是N步移相式輪廓術，即將正弦光柵像移動相位N次，每次移動2π（N+1），由采集到的N+1幅圖像求得相位值?？沼蛳辔粶y量則是主要利用數(shù)字濾波，將頻率較高的載波和頻率較低的面形分離開來，從而將面形恢復出來。對于三步時域相移測量的光柵投影條紋：I(x,y,t)=IO(x,y)(γ(x,y)cos[Φ(x,y)+δ(t)]) （） 式中Io(x,y)為信號偏移，γ(x,y)為光強調制，Φ(x,y)為波形相位差異,δ(t)為時變相移。三步相移為：I1( i,j)=IO(i,j){1+γ(i,j)cos(Φ(i,j)δ)} () I2(i,j)=IO(i,j){1+γ(i,j)cos(Φ(i,j))} () I3( i,j)=IO(i,j){1+γ(i,j)cos(Φ(i,j)+δ)} () ?i,j=tan1(3I1I32I2I1I3) () γi,j=(I3I2)2+(2I1I2I3)212I2+I1 () 由于ATOS系統(tǒng)能夠從任意角度對物體進行拍攝，因此當拍攝角度變化時,就需要用一定的方法拼合角度變化前后所獲得的兩份數(shù)據(jù)點云。通過在物體表面附著參考點，根據(jù)兩份數(shù)據(jù)點云中共有參考點的拓撲相似性進行匹配，進而拼合整個點云? 從兩個方位對零件的某一部分進行拍攝，所分別獲得圖像的右半部分、左半部，兩個圖像中有相同的參考點?顯然,如果能夠將這些相同點一一對應起來，并根據(jù)它們的坐標解出兩個方位間的坐標變換關系，就能將從兩部分零件所采集的數(shù)據(jù)點云拼合起來，形成一段完整的零件表面形狀三維信息。辦法是將每幅圖像中的所有參考點連接成三角網，利用一定的數(shù)據(jù)存儲結構紀錄網點連接的拓撲關系、每個三角形的幾何參數(shù)等信息，再對從兩幅圖像生成的數(shù)據(jù)進行搜索比較、找出具有相同拓撲特性的部分，從而實現(xiàn)相同參考點的匹配采用泰森(Thicssen)多邊形和狄洛尼(Delaunay)三角網。所謂泰森多邊形是指若區(qū)域D上有n個離散點Pi(xi,yi)(1,2….,n)，將區(qū)域D用一組直線段分成n個互相鄰接的多邊形，滿足： (1)每個多邊形內含且僅含一個離散點；(2)D中任意一點P′(x′,y′),若位于Pi所在的多邊形內,則滿足: x39。xi2+y39。yi2=x39。xj2+y39。yj2(j≠i) ()(3)若P′在Pi與Pj所在的兩多邊形公共邊上,則:x39。xi2+y39。yi2=x39。xj2+y39。yj2(j≠i) ()則這些多邊形稱為泰森多邊形?用直線連接每兩個相鄰多邊形內的離散點而生成的三角網稱為狄洛尼三角網? 對所有參考點、三角形和兩點間的連線編號，然后用第一個表存儲三角形編號、全等狀態(tài)標志、邊號及端點號，第二個表存儲邊的號碼、實際長度(參考點之間的實際空間距離)；第三個表存儲每個點的所有鄰接邊的編號?根據(jù)已匹配的參考點在兩個坐標系下坐標,計算出坐標系間的變換關系,就能將所有的點云數(shù)據(jù)用統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)描述,從而實現(xiàn)點云的拼合?理論上講,只要知道不共線的三個點在兩個坐標系下的坐標值,就能計算出坐標變換關系?用方程組表示坐標變換關系為:：r1r2+r2y1+r3z1+tx=X1r1x1+r2y2+r3z2+tx=X2r1x3+r2y3+r3z3+tx=X3 ()其中r1—r3和tx,ty,tz是待求參數(shù),且r1—r3帶有正交性?由上式兩兩相減得:r1?r2+r2?y1+r3?z1=?X1r1?x1+r2?y2+r3?z2=?X2r1?x3+r2?y3+r3?z3=?X3 ()前兩式相除并整理并變?yōu)榫卣问綖? 249。234。234。234。235。233。CDDCDDCDDCDDCDDCDDCDD?x1?X2?x2?X1 ?y1?X2?y2?X1?x1?X3?x3?X1 ?y1?X3?y3?X1?x2?X3?x3?X2 ?y2?X3?y3?X2r1r2r2r3=?Z2?X1?z1?X1?z3?X1?z1?X3?z3?X2?z2?X3 ()對該式求解,得r1r3將r1r3代回式(),可以得到tx,ty,tz的值,從而得出兩個坐標系變換的全部參數(shù),從而可以實現(xiàn)自動拼合? 汽車方向盤實例掃描過程（1）掃描實例時的前期準備。本次掃描測量的具體模型是汽車方向盤實物如圖所示。由于汽車方向盤的表面反光，所以需要在其表面噴涂顯像劑；隨后在該模型上貼參考點，本次掃描過程中我們采用參考點全部粘貼在被掃描測量工件的表面來進行掃描測量，因為這樣足以對其進行全面的掃描。： 汽車方向盤實物（2）為了最終通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)兩篇點云數(shù)據(jù)的拼合，在進行掃描之前，要對ATOS掃描儀進行 標定，進行標定的主要方法有兩種，一是對ATOS掃描頭進行軟硬件配置，進行數(shù)據(jù)的配準計算；另外一種則是通過在點云數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域貼黑圈白點，通過這樣的公共參考點的坐標進行轉換。通過系統(tǒng)標定，可得到的系統(tǒng)參數(shù)如下：軟件標定結果： 項目 標準值 標定值 Calibration deviation(標定偏差) Camera angle (CCD相機擺角) 約為30176。 176。 Angle Variance (角度變化) 15176。 176。 Height Variance (高度變化) (mm) 標準測量距離75020 % 261 Measuring volume(掃描范圍) (m3) 340 280 280 從上表可以看出ATOS系統(tǒng)標定后滿足測量要求，掃描頭標定完成。（3）測試前打開掃描頭燈泡對掃描頭進行預熱5分鐘左右，點擊軟件上掃描鍵，可以看到光源鹵素燈產生一列編碼光柵從實體上掃過，通過攝像頭攝制，在軟件界面生成一張實體平面圖形。轉動定標板，轉換到另一角度對再次掃描，重復這個動作十次左右，即可在軟件界面生成一張3D點云圖。（4）使用軟件點云處理軟件圖形后導出點云圖為stl格式。即可得到已經網格化處理的三維點云圖，如圖所示：至此，我們通過操作ATOS掃描系統(tǒng)，得到了用于后續(xù)處理的點云圖。 本章小結本章主要介紹了逆向工程中的數(shù)據(jù)測量技術，并對在本次設計中使用的ATOS三維掃描儀進行了重點介紹。對其系統(tǒng)原理，和操作方法進行了說明和闡述。并通過具體實例方向盤點云數(shù)據(jù)的測量詳細的介紹了該系統(tǒng)的操作和生成數(shù)據(jù)的過程。第三章 數(shù)據(jù)預處理采用激光掃描法獲取掃描對象的點云數(shù)據(jù)，不可避免含有噪聲點。產生噪聲的因素很多，歸納一下，主要分為兩大類：一類是被測對象表面因素產生的誤差，譬如表面粗糙度、波紋等缺陷；另一類是由測量系統(tǒng)本身引起的誤差，譬如測量設備的精度、CCD攝像機的分辨率、振動等等。這些誤差的存在，嚴重影響了物體的外形設計和外形評價及后期模型重構的質量。為了精確表達由激光掃描點云重構所得到的物體幾何外形信息，需要對激光掃描點云進行預處理，以便得到能實現(xiàn)在規(guī)定的行位誤差范圍之內“視覺滿意的點云數(shù)據(jù)。點云預處理的內容主要有點云濾波及平滑處理，以及點云數(shù)據(jù)的壓縮、噪聲點去除、點云對齊等內容。數(shù)據(jù)平滑的目的是消除噪聲，已得到精確的模型和好的特征提取效果。考慮無限個節(jié)點處型值的平滑問題，平滑后的型值由原型值線性迭加而成，即：式中，是權因子，是偶系列。所謂數(shù)據(jù)比“平滑”，直觀上就是新數(shù)據(jù)的“波動”不超過原數(shù)據(jù)的“波動”，這種“波動”可用各階差分來度量。實際應用時，不但要求處理后的數(shù)據(jù)要較之前的平滑，同時要求前后兩組數(shù)據(jù)的“偏離”也不能過大。點云的平滑濾波主要有以下三種方式：中值濾波法、平均值濾波法和高斯濾波法【16】【17】，分別介紹如下：（1）中值濾波法 該方法將相鄰的3個點取平均值來取代原始點，以實現(xiàn)濾波。中值濾波法采樣點的值取濾波窗口內各數(shù)據(jù)