激光点扫描仪数据采集与相关处理算法的研究

摘要

三维激光扫描仪是数字化设计与制造的关键设备之一。采用三维激光扫描仪能够快速采集原型样件的表面数据，在产品设计和工业检测领域已得到广泛应用。将扫描测量数据导入逆向工程软件，由点云构建三维物体的CAD模型，可大幅缩短产品设计周期，快速实现手工原型到数控批量生产，不仅降低产品设计成本，而且提高生产效率。
　　光学测量技术具有非接触、速度快、易于自动化的特点，尤其适合于自由曲面的测量。本文在三维激光线扫描仪的基础上研制基于伺服控制系统的激光点扫描仪，目的是减少振动噪声，提高扫描测量精度，适应精细产品设计的需求，提高三维激光扫描仪在数字化设计与制造领域的应用水平。
　　三维激光扫描测量系统是光、机、电一体化的集成系统，包含机械平台、运动控制、CCD摄像机、激光发生器、光学成像、激光点图像处理、物像对应关系标定、点云数据处理和数据接口等方面。本文在三维激光点扫描仪的研制过程中主要完成以下工作:
　　(1)介绍了三维激光扫描仪的主要部件及参数，采用面向对象技术设计了运动控制类、图像采集类、测量机类以及数据处理类，在测量时创建测量机类的对象，测量结束后析构测量机类的对象，释放计算机资源，利于测量数据后续处理。
　　(2)依据测量景深、镜头焦距以及精度要求，设计了扫描仪的光学成像参数。
　　(3)依据光学三角测量原理，采用高度查找表建立物像对应关系。
　　(4)对于采集的激光点图像，在中值滤波和浮动阈值提取激光斑点的基础上，用邻域灰度加权平均法计算激光点图像的中心。
　　(5)分析了图像采集卡单帧采集和序列采集的过程，用回调函数结合循环序列采集的方法实现了图像采集与图像处理的并行进行，实验结果表明并行方式最大程度地利用了摄像机的采集速度，扫描仪采集数据的速度是串行方式的3倍。
　　(6)分析了测量盲区的形成原因，对于存在部分有效邻域数据的漏洞，提出了一种部分边界约束的趋势面插补算法，在由漏洞边缘向内部逐步延伸的插补过程中考虑了陡峭边缘的约束。
　　(7)在对测量数据进行光顺处理时，提出了图像边缘检测和图形边缘检测相结合的方法，在保留边缘信息的前提下，对非边缘的测量数据点采用B样条拟合的方法进行了光顺处理。
　　经过实验样件的检测，本文研制的基于伺服控制系统的激光点扫描仪样机，测量精度在±0.015mm内，与基于步进控制系统的激光线扫描仪相比，测量精度提高了5～10um。