结构光扫描仪的测量原理及其检定研究

在计算机技术快速发展的新时期下,扫描仪得到了良好发展,类型逐渐增多,其中结构光扫描仪作为现阶段较为先进的扫描设备,可以精准捕捉被扫描物体的表面形状,也能通过结构光原理对物体的细节信息快速获取。鉴于此,本文即对结构光扫描仪进行研究,对结构光扫描仪的测量原理、检定深入分析。

利用标志点多视图约束实现结构光扫描高精度粗拼接

在采用标志点拼接的结构光扫描系统中,两两相邻视图拼接存在累积误差,导致拼接精度会随拼接次数下降,为此提出一种利用标志点多视图几何约束的高精度拼接方法.首先利用两两视图拼接的方式在扫描过程中构建标志点多视图网络,并利用光束法平差技术优化多视图网络得到高精度全局控制点;在此过程中保存每个视局部坐标系下三维点云,然后将各局部坐标系下点云和全局控制点进行拼接,得到物体表面完整的三维数据.该方法克服了传统拼接过程中累积误差,提高了多视角三维扫描拼接精度;并通过实验证明了所提出算法的有效性.

基于结构光扫描手部软组织三维模型的准确性研究

目的设计基于结构光的手部三维扫描系统,并评估其应用于手部三维重建模型的准确性。方法通过自制结构光三维扫描系统扫描5名志愿者左手,将掌侧和背侧的三维图像拼接、封装、填充、表面光顺,后对生成的手部三维模型进行手指长度、关节周径和宽度的测量,并将测量结果与直接测量法得到的结果进行比较。结果自制结构光三维扫描系统扫描速度快(时间均为1 s),且三维手模型的外形逼真、皮纹细腻;在28项测量指标中,除示、中指背侧长度和示指远指间关节周径的差值有统计学差异(但两种测量方法所得差值均小于2.0 mm),其它测量指标的差值均在1.0 mm以内,无统计学差异。结论自制结构光三维扫描系统能快速进行手部软组织模型重建,且所重建的三维模型具有较好的准确性。

3DSS-Ⅱ彩色结构光扫描系统测量重建基牙预备体的可靠性和准确性研究

目的:评价3DSS-Ⅱ彩色结构光扫描系统测量并重建基牙预备体的可靠性与准确性。方法:采用3DSS-Ⅱ彩色结构光扫描系统对1、2、3、5、65颗牙的基牙预备体石膏模型进行三维测量并重建,分别利用Geomagic6.0软件和游标卡尺测量相关几何指标,应用统计分析方法,考察系统的可靠性和准确性。结果:利用3DSS-Ⅱ彩色结构光扫描系统获得了基牙预备体的三维数字化模型;每项实验中各组间数据相关性好且无明显差异(r≈1,P<0.001);以游标卡尺测量结果为标准,系统误差范围为-0.269～0.269mm。结论:3DSS-Ⅱ彩色结构光扫描系统能够完成基牙预备体的测量和重建,系统可靠性强,但其精度尚无法满足基牙预备体数字化印模的要求。

基于线结构光扫描的足背三维轮廓重构

针对人体足背的三维建模问题,提出一种基于线结构光扫描的新型重构及测量方案。采用2台高分辨率CMOS摄像头,从不同角度拍摄照射在足背上的线结构光线,通过灰度重心法细化图像中的结构光线,经坐标转换获得足背的点云数据。对足背点云数据后跟处的盲区采用最小二乘曲线拟合法进行修复,并运用三维Delaunay网格化算法实现曲面重构,获得完整的足背三维轮廓。实验结果表明,该方案程序运行稳定,足部主要参数的绝对误差均小于4 mm,具有较高的测量精确度。

基于多视图约束的结构光扫描系统冗余点去除算法

针对结构光多视扫描拼接后在扫描重叠区域内重复计算带来的数据冗余问题,提出一种重复区域内冗余点删除算法.首先根据多视图几何约束原理,将不同视下相机外参数绝对定向.然后计算当前视下三维点并将其反投影至上次扫描图像,若反投影像点在上次扫描中曾参与物点计算,且若2次物点距离大于给定阈值,则保留当前视下三维点,反之保留反投影残差较小者;否则,保留该点.理论分析和实验结果表明,对于重叠扫描区域,该算法能达到和单次扫描相同密度的点云,且去除了扫描过程中精度较低的点,同时保留了曲率较大处表面的细节信息.

基于COMET L3D三维结构光扫描仪的逆向技术研究

以某发电机端盖为例,介绍COMET L3D三维结构光扫描仪系统及点云数据获取的方法,描述了Geomagic Studio逆向软件对点云数据预处理的要点,重点探讨了发电机端盖这类铸造产品模型重构的步骤、方法以及注意事项,并进行了误差分析,最后获得了符合精度要求的数据模型。结果表明:通过借助COMET L3D三维结构光扫描仪对铸造产品进行逆向工程的研究,可在吸收原有逆向方法的基础上进行创新、改进,缩短新产品的研发周期。

锥形束CT和结构光扫描三维重建牙颌模型的准确性及可行性

目的锥形束CT、结构光扫描重建牙颌模型并分析其准确性及临床可行性。方法收集2014年3月-2015年3月解放军第202医院口腔正畸科收治并筛选的20例患者上下颌骨的锥形束CT(cone beam computed tomography,CBCT)数据、石膏模型及结构光扫描石膏模型数据。用逆向工程软件重建CBCT、结构光扫描三维牙颌模型,在3种模型上分别选取标志点进行10个项目的测量,分析模型之间差异。计算机辅助设计(computer aided design,CAD)并3D打印个性化舌侧托槽,分析其测量数据与CAD托槽数据的统计学差异,并检测与石膏模型是否贴合。结果三维重建得到CBCT与结构光扫描的数字化模型。CBCT模型测量值与石膏模型尖牙高度有统计学差异(P<0.05)。结构光扫描模型与石膏模型各项目无统计学差异(P>0.05)。基于CBCT和结构光扫描模型的3D打印个性化舌侧托槽与CAD托槽数据无统计学差异且均与石膏模型贴合。结论 CBCT、结构光扫描重建模型具有临床应用可行性。结构光扫描模型精度优于CBCT重建模型,临床医师可根据具体情况选择适合方式。

基于单双目结合的线结构光扫描技术

为解决传统线激光扫描方法精度低、时间消耗大、成本高等问题,提出一种单目和双目结合的线结构光扫描方法。在双目系统中,用投影仪投射单位像素宽度的移动光条到柱状纸筒表面,采用加权重心法提取左右图像的光条中心并进行匹配,根据匹配结果,采用双目视差原理,恢复光条中心的三维点坐标,采用迭代的特征值法对所获取的三维点进行拟合,得到光平面方程。在单目系统中,依据透视投影几何原理,求解相机透镜中心和结构光中心在像平面上映射点的连线与光平面方程的交点,该点即为所求的三维点坐标。实验结果表明,该方法能够在满足精度要求的同时,提高扫描速度。

三维结构光扫描技术在岩石结构面粗糙度评价实验教学中的应用

无论是自然发育还是人类活动诱发产生的节理、裂隙等不连续结构面,其形貌结构特征对岩体的强度和稳定性具有重要影响,结构面形貌的定量评价是岩体强度和变形理论分析的基础。分析了三维结构光扫描技术的特点及其在岩石力学试验方面的应用前景。采用三维结构光扫描技术对实验室尺度的岩石结构面进行形貌测量,介绍了扫描数据处理、形貌特征分析和粗糙度评价方法。将上述内容引入到岩石力学实验教学中,不仅可以让学生了解最新科技成果应用于岩石力学实验中的优势,还可以锻炼学生处理和分析数据的能力,实现提高学生实践创新水平的目的。

基于结构光扫描的椎弓根多区域组合配准技术

目的利用术中结构光扫描图像和术前CT进行配准,实现计算机辅助椎弓根手术。方法术前对手术部位的CT图像进行三维重建及区域划分,术中用结构光对其进行三维扫描,把腰椎模型骨各区域组成17个组合,然后结合预配准与多区域ICP算法对两点集进行配准。结果该算法实现了脊椎骨可见光数据与CT数据的配准,即使在噪声干扰和图像偏移的影响下,配准误差仍能保证在1mm之内。结论本文提出的预配准结合多区域配准算法能有效地避免ICP算法的局部收敛性;即使在施加噪声和外部干扰情况下,利用两个区域组合进行配准可以满足手术精度要求。

基于结构光扫描三维重建技术研究

为了满足物体三维重建的需求,获得高的精度和清晰的纹理,对结构光扫描仪工作原理进行分析。以此对扫描过程进行优化,利用转台和定标板定标,确定相机和被扫描物体的坐标转换关系,实现物体多视角点云的拼接,利用ZBrush、UVLayout、Photoshop等对物体表面模糊纹理进行UV纹理贴图,以提高纹理清晰度。结果表明,该方法提高了多视角点云匹配精度,获得了更高清晰度的表面纹理,具有良好的操作性。

一种基于机械式拼接的结构光扫描测量方法

测量大尺寸零部件一般需要较大的测量范围,而高精密扫描传感器往往视野较小。为了解决该矛盾,提出了一种基于机械式拼接的结构光扫描测量方法,通过结构光扫描仪获取局部高精点云,并利用高精十字平移台实现数据拼接。分析了测量系统的组成和测量原理,提出了一种基于加权非线性优化的外参标定方法,求解出结构光扫描仪和十字平移台之间非实物坐标系的变换关系。在实验中验证了系统在300 mm的测量范围内球心距的均方根误差(root-mean-square error,RMSE)优于45μm;同时对实物进行了测量,检验了测量系统的实用性。

结构光扫描技术在文物数字化中的应用分析

文物数字化是加强文物保护和利用的基础,随着文物数字资源应用需要的扩大,对文物数字化工作将提出更高要求。文物的三维信息数字化是当前国内外博物馆正在积极探索的课题。通过"浙江新石器时代陶器的三维信息无损采集和动态展示项目"的开展,拟从实践操作出发对文物的三维信息采集之结构光扫描技术以及该技术在文物数字化中的应用及成果加以分析和论述。

温泽推出新型三维结构光扫描与图像处理测头Phoenix

温泽的Phoenix作为光学测量技术领域的领先产品之一，在今年推出了在技术上进行大幅度创新的新型Phoenix。

温泽PHOENIX三维结构光扫描与图像处理测头

温泽推出的新型PHOENIX在光学测量技术方面开创了新领域，是新PHOENIx光学测量技术的革命。新型三维光学测头只需一次扫描，即可对不同材料的表面进行快速非接触式的几何元素测量以及表面获取。

基于结构光扫描的彩色三维信息测量技术

提出了一种基于线结构光扫描的彩色三维信息测量方法,建立了扫描测量的数学模型,利用一种圆孔阵列平面靶标完成了系统光平面参数的标定。利用所研制的系统对一标准棱块进行测量,空间测量精度优于0.1 mm。提出了通过计算测量点对应彩色图像中像素坐标获取颜色信息、对整个扫描数据进行颜色渲染的方案,并对小花盆进行了三维测量和颜色渲染,获得了完整准确的彩色三维数据。系统具有测量精度高、颜色渲染快速和准确的特点。

水下环境的线结构光扫描和三维重建

针对水下物体的三维探测和目标识别，研究了一种基于线结构光扫描的三维物体探测和三维场景重建方法。该方法使用激光线光源扫描探测区域，用标定板进行定标，建立采样数据的二维像素坐标系与三维世界坐标系的映射关系，通过坐标系变换，将二维线结构光扫描数据转变为三维物体信息。在水槽中进行了实验：采用电荷耦合器件（CCD）相机记录了线结构光扫描的图像数据，利用Matlab软件编程实现了水下场景的三维重建，通过三维重建结果可以较清晰地识别出原目标物体的形状，分析了影响探测精度的原因和改进方法。实验证明了该扫描和三维重建方法应用于水下目标探测的可行性。

基于线结构光和足底扫描的足部参数测量研究

针对现有足部轮廓三维重构方法精度低,鲁棒性差,成本昂贵且不符合实际足部生物力学研究要求等问题,设计了一种利用光学测量技术实现无接触式足部参数测量的系统。该系统一方面通过对足底扫描图像处理,构建足底轮廓点云,分割足底压力区域,计算足底相关参数;另一方面利用线结构光技术,重构足面轮廓,将足底轮廓点云与足面轮廓点云在系统规定世界坐标系内融合,形成完整足部轮廓点云,根据定义计算足部围度等足部系列参数。通过搭建相应硬件平台对多组人体足部进行测量,实验结果表明系统能够快速、精确地完成足部三维重构,具有很好的鲁棒性。

基于线结构光扫描的手背注射入针平面测量优化方法

新冠肺炎疫情的暴发使得非接触式静脉注射机器人备受医务人员青睐,但目前对机器人入针角度的研究较少,多以粗略的角度进行入针操作,这会增加穿刺失败率,且由于患者本身存在的个体差异,有时会有明显疼痛感。为此,针对手背静脉注射机器人入针角度的确定展开研究,重点完成对手背测量数据的优化,以保证入针角度计算结果的准确性。首先通过单目相机与线结构光扫描相结合的方法获得手背入针区域空间点云,利用最小二乘法对手背点云进行拟合得到手背平面;在线结构光系统标定过程中,通过构造误差函数,采用最优化方法进行迭代求解来消除测量误差;然后以得到的入针区域平面为依据确定入针角度;最后设计实验,验证所提方法的准确性。实验结果表明,优化后结构光平面位置的平均误差约为0.1 mm,满足项目需求,为后续全自动注射奠定基础。