三维扫描仪原理与应用论文

三维扫描仪

学号：123456789 姓名：(⊙o⊙)…

摘要：三维扫描仪(3D scanner) 是一种科学仪器，用来检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（如颜色、表面反照率等性质）。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。

关键字：三维扫描仪 CCD 机器视觉测量逆向工程

正文：三维扫描仪是光电传感器的一种，一般用于测量物体的三维坐标。从而间接地得到被测物的空间坐标，尺寸，形状。以及通过计算机处理得到的三维坐标矩阵，合成机器视觉。

机器视觉用途很广，比如可用于机械手视觉向导、产品外观尺寸检测、逆向工程等。真正实现生产智能化、自动化。节约人力成本。服务工农业。非常具有研究价值！

下面讨论三维扫描仪的工作原理。逐点扫描型：

图1

图2

由图1可看出，中间的激光发射装置逐点发射激光，激光以点的形式射到物体表面并反射，被2个CCD相机所捕捉（CCD相机都为对激光光波敏感，对可见光光波不敏感类型）。捕捉到的信息传入计算机进行处理。计算机通过计算像素中心线到激光反射点的像素差（图2所示），计算出CCD相机中心线与激光反射点到CCD相机这条直线的角度，间接计算出θ1和θ2(图1所示)。 2个CCD 相机距离已知，所成夹角已知。当计算出θ1和θ2后，根据三角形原理，可计算出激光反射点的相对坐标（X，Y）。同理，如果在激光发射装置的上面放一个CCD相机，便可计算出激光反射点的竖直坐标Z。至此，通过一个激光发射装置，3个不同方向放置的CCD相机，就可测量激光反射点的相对三维坐标（X,Y,Z）。

如果激光发射装置逐点发射，CCD相机逐点捕捉，通过计算机处理后可得到一条线的三维坐标，如果激光发射装置逐行发射，CCD相机逐行捕捉，输入计算机处理后便可得到一个面的三维坐标，称作面的三维坐标矩阵。

下面谈谈三维扫描仪的应用，通过上面的方法，就可得到了一个面的三维坐标矩阵。把这个三维坐标矩阵输入计算机，让计算机进行处理，比如数字滤波，变换，特征提取等。就可得知所扫描物体的尺寸形状，距离等。能让计算机判断所扫描物体的几何尺寸，边缘等特征信息。以便向机械手发出动作指令。真正实现视觉信息引导机械手工作！使得机械手更加智能化。精度高的还能检测所扫描物体面的粗糙程度。

除了上面所讲的高端应用机器视觉指引机械手动作外，恐怕大部分企业购买三维扫描仪的用途是逆向工程。通过扫描现有的成品零件，逆向生成CAD文件或模型，然后生成CAM文件。就可生产制造出产品！省去了开发设计环节！大大节

省了时间和成本。这点非常适合中国中小企业，符合国情！不怪我们感叹中国山寨产品如此之多啊！

三维扫描仪还可以大范围远距离的测量，比如用在三角测距，城市规划，地形勘探等。

其次，三维扫描仪还可用于工业检测，检测产品的形位误差，判断产品是否合格等进行三维检测。一般用于机械产品检测。使验收快速化，智能化。

由以上所述可知，三维扫描仪用途和优点如此之多，但我们生活中怎么就没见过三维扫描仪呢？原因在于目前三维扫描仪的价格普遍较为昂贵！少则几十万人民币一台，多则上百万人民币一台！大部分企业或个人望而止步，所以没有得到普及。其次有了三维扫描仪硬件部分外，还需连接配套的三维坐标矩阵处理软件，也就是计算机视觉处理软件，才能进行三维测量，一般计算机视觉处理软件都很难开发。所以三维扫描仪的价格很高很高，能拥有者很少很少！

分析以上信息后，我决定自行开发三维扫描仪。要开发三维扫描仪需要解决的问题是寻找能控制激光发射的装置，并控制它逐点或逐行进行发射同时保证发射精度。其次要解决的问题是CCD相机对反射点的高灵敏度的捕捉，并屏蔽干扰。最后要解决的是对数据处理得出空间坐标的算法的开发。解决了以上3个问题，我想开发三维扫描仪也不是什么难事。

参考文献：

1./view/3359031.htm

2./view/1737789.htm

3.《机器视觉算法及应用》作者: Carsten Steger, Markus Ulrich, Christian Wiedemann译者: 杨少荣, 吴迪靖, 段德山