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(fā)展迅速的新興技術(shù)。實物反求技術(shù)被用于基于已有產(chǎn)品實物的產(chǎn)品再設(shè)計，或?qū)σ恍o法用數(shù)字化手段直接表述和設(shè)計、而只能以實物形式表達的產(chǎn)品模型（如油泥模型）進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，以實施對這些產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)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(shè)計時，完全基于實驗優(yōu)化得到的實物模型無法直接用現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)進行建模表述，因此，為了實現(xiàn)這些飛行器的數(shù)字化設(shè)計與制造，就必須利用實物反求工程中的點云數(shù)據(jù)采集技術(shù)將實物模型轉(zhuǎn)換為CAD模型。目前，實物反求技術(shù)已在新產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品維修、產(chǎn)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(xiàn)對象數(shù)字化，必須利用相應的測量或掃描設(shè)備對產(chǎn)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(shù)據(jù)點云。因此，點云數(shù)據(jù)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(shù)中，近年來出現(xiàn)的光學掃描點云數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有測量效率高、數(shù)據(jù)完整性好、適用范圍廣、可采集數(shù)據(jù)范圍寬（從數(shù)毫米至數(shù)十米）等諸多優(yōu)點。

近年來，國內(nèi)不少高校和科研院所對實物反求技術(shù)進行了大量研究和開發(fā)，并在一些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破。通過自主開發(fā)和技術(shù)合作，國內(nèi)在接觸式測量技術(shù)及設(shè)備的開發(fā)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(shù)據(jù)采集技術(shù)，目前還很少見到有國內(nèi)研制開發(fā)的成熟產(chǎn)品及其在汽車、模具等行業(yè)成功應用的公開報道。為促進對光學掃描點云數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)的研究與開發(fā)，并提供對外技術(shù)服務，我校引進了國外某公司生產(chǎn)的流動式光學掃描設(shè)備。在設(shè)備使用過程中，經(jīng)常因操作失誤、調(diào)整不當?shù)仍蛟斐蓽y量誤差過大的問題。為了透徹消化國外引進技術(shù)，筆者結(jié)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(xiàn)形式

（1）采集數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)密度達不到要求。用這種不完整的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集結(jié)果表現(xiàn)為多層點云。這種情況往往出現(xiàn)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(shù)據(jù)不準確，影響整體測量精度。

（4）累積誤差過大，使測量結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差。

（5）點云拼接錯誤，導致較大測量誤差。

（6）測量結(jié)果中粗大點(噪音)數(shù)據(jù)過多。

3 誤差原因分析及提高精度的對策

筆者結(jié)合實際工作經(jīng)驗，通過測試分析，將產(chǎn)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(huán)境選擇不當?shù)?，現(xiàn)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(gòu)成。在進行點云數(shù)據(jù)采集之前，首先需要對測頭進行初始化，主要內(nèi)容包括：

①根據(jù)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(jù)測量現(xiàn)場條件、被測對象的表面形態(tài)及表面處理情況確定主光源的光強；

③根據(jù)系統(tǒng)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(chǎn)生較大誤差。

在測量中，如果因操作失誤而使測頭受到?jīng)_擊、碰撞，應及時對測頭進行檢查，如已發(fā)生損壞，要進行修理；如未發(fā)生損壞，也必須對測頭進行重新標定；即使測量中未發(fā)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。