光學掃描測量精度的影響因素及對策分析

　　1 引言

　　反求工程（或稱逆向工程）是一門發展迅速的新興技術。實物反求技術被用于基于已有產品實物的產品再設計，或對一些無法用數字化手段直接表述和設計、而只能以實物形式表達的產品模型（如油泥模型）進行數字化轉換，以實施對這些產品的數字化設計與制造。例如，在對飛機、導彈等飛行器的外型進行空氣動力學設計時，完全基于實驗優化得到的實物模型無法直接用現有的CAD/CAM系統進行建模表述，因此，為了實現這些飛行器的數字化設計與制造，就必須利用實物反求工程中的點云數據采集技術將實物模型轉換為CAD模型。目前，實物反求技術已在新產品設計、產品維修、產品在線檢測等方面得到了廣泛應用。

　　在實物反求工程中，為實現對象數字化，必須利用相應的測量或掃描設備對產品三維實物模型進行測量或掃描，以獲得實物模型的空間拓撲離散點數據點云。因此，點云數據采集是實物反求時首先必須完成的工作。在各種實物測量技術中，近年來出現的光學掃描點云數據采集技術具有測量效率高、數據完整性好、適用范圍廣、可采集數據范圍寬（從數毫米至數十米）等諸多優點。

　　近年來，國內不少高校和科研院所對實物反求技術進行了大量研究和開發，并在一些關鍵技術上有所突破。通過自主開發和技術合作，國內在接觸式測量技術及設備的開發與應用上已日趨成熟。但對于非接觸測量的光學掃描點云數據采集技術，目前還很少見到有國內研制開發的成熟產品及其在汽車、模具等行業成功應用的公開報道。為促進對光學掃描點云數據采集及處理技術的研究與開發，并提供對外技術服務，我校引進了國外某公司生產的流動式光學掃描設備。在設備使用過程中，經常因操作失誤、調整不當等原因造成測量誤差過大的問題。為了透徹消化國外引進技術，筆者結合工作實踐對此進行了研究和分析，并提出了相應的解決方案。

　　?2 測量誤差主要表現形式

　　（1）采集數據缺失或數據密度達不到要求。用這種不完整的數據進行點云擬合，誤差較大，難以達到要求的測量精度。

　　（2）對同一表面的數據采集結果表現為多層點云。這種情況往往出現于被測對象為大型工件或工件為透明物體時。

　　（3）單幅采集數據不準確，影響整體測量精度。

　　（4）累積誤差過大，使測量結果出現明顯偏差。

　　（5）點云拼接錯誤，導致較大測量誤差。

　　（6）測量結果中粗大點(噪音)數據過多。

　　3 誤差原因分析及提高精度的對策

　　筆者結合實際工作經驗，通過測試分析，將產生較大測量誤差的主要原因歸納為：標定不當、標尺使用不當；測頭鏡頭組合選擇不當;測量順序不當；測量策略選擇不當;工件表面標志點安放不當；測量過程中操作不當；工件被測表面預處理不當；后處理不當；測量環境選擇不當等，現分別分析如下：

　　（1）標定不當、標尺使用不當

　　掃描測量頭（測頭）由光源、CCD攝像機及相應的鏡頭組構成。在進行點云數據采集之前，首先需要對測頭進行初始化，主要內容包括：

　　①根據被測對象的大小、表面特征的多少及其復雜程度選擇不同的鏡頭組合；

　　②根據測量現場條件、被測對象的表面形態及表面處理情況確定主光源的光強；

　　③根據系統標準工作流程對所選定的鏡頭組合進行標定，使標定精度值≤0.020；

　　如果測量之前未進行上述工作，而是直接使用以前標定的測頭進行測量，則可能因鏡頭組合、光源光強、標定精度不符合本次測量要求而無法保證測量精度，導致產生較大誤差。

　　在測量中，如果因操作失誤而使測頭受到沖擊、碰撞，應及時對測頭進行檢查，如已發生損壞，要進行修理；如未發生損壞，也必須對測頭進行重新標定；即使測量中未發生任何操作失誤，但如果測量時間較長，也需定時對測頭進行快速標定，檢查測頭的精度狀況。

　　標尺是對大型工件進行數據采集時利用數碼像機對整個工件上的標識點進行定位的必備工具，所使用標尺上的標準尺寸應與實際利用照片進行處理時所顯示的尺寸數值一致。

　　（2）測頭鏡頭組合選擇不當

　　采集大型工件表面點云數據時，應選用測量范圍較大的鏡頭組合，以實現總體數據的快速采集；對于其中部分特征較多、較小的區域，則最好選用測量范圍較小的鏡頭組合再進行局部小特征的突出測量，以獲得較好的測量效果。

　　?對于大型工件，如選擇測量范圍較小的鏡頭組合進行測量，則要求工件表面有較多用于點云拼接的標識點，這就會延長工件預處理時間，加大測量時間跨度，因環境溫度隨時間變化引起的誤差就會反映到測量結果中，且會影響整個測量效率。如果用數碼像機對整個工件上的標識點進行定位，測量時自動進行拼接，則因標識點數較多、出現標識點之間關系相同的概率變大，容易發生拼接錯誤；如果不用數碼相機對整個工件上的標識點進行定位，相鄰單幅點云之間利用共同標識點進行拼接，則由于拼接次數較多，也會產生拼接累積誤差過大的現象。