光學(xué)掃描測量精度的影響因素及對(duì)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(shí)物反求技術(shù)被用于基于已有產(chǎn)品實(shí)物的產(chǎn)品再設(shè)計(jì)，或?qū)σ恍o法用數(shù)字化手段直接表述和設(shè)計(jì)、而只能以實(shí)物形式表達(dá)的產(chǎn)品模型（如油泥模型）進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，以實(shí)施對(duì)這些產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。例如，在對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器的外型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，完全基于實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到的實(shí)物模型無法直接用現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行建模表述，因此，為了實(shí)現(xiàn)這些飛行器的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，就必須利用實(shí)物反求工程中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集技術(shù)將實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為CAD模型。目前，實(shí)物反求技術(shù)已在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品維修、產(chǎn)品在線檢測等方面得到了廣泛應(yīng)用。

　　在實(shí)物反求工程中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)象數(shù)字化，必須利用相應(yīng)的測量或掃描設(shè)備對(duì)產(chǎn)品三維實(shí)物模型進(jìn)行測量或掃描，以獲得實(shí)物模型的空間拓?fù)潆x散點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)云。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是實(shí)物反求時(shí)首先必須完成的工作。在各種實(shí)物測量技術(shù)中，近年來出現(xiàn)的光學(xué)掃描點(diǎn)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(diǎn)。

　　近年來，國內(nèi)不少高校和科研院所對(duì)實(shí)物反求技術(shù)進(jìn)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(yīng)用上已日趨成熟。但對(duì)于非接觸測量的光學(xué)掃描點(diǎn)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(yīng)用的公開報(bào)道。為促進(jìn)對(duì)光學(xué)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)的研究與開發(fā)，并提供對(duì)外技術(shù)服務(wù)，我校引進(jìn)了國外某公司生產(chǎn)的流動(dòng)式光學(xué)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(dāng)?shù)仍蛟斐蓽y量誤差過大的問題。為了透徹消化國外引進(jìn)技術(shù)，筆者結(jié)合工作實(shí)踐對(duì)此進(jìn)行了研究和分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。

　　?2 測量誤差主要表現(xiàn)形式

　?。?）采集數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)密度達(dá)不到要求。用這種不完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云擬合，誤差較大，難以達(dá)到要求的測量精度。

　?。?）對(duì)同一表面的數(shù)據(jù)采集結(jié)果表現(xiàn)為多層點(diǎn)云。這種情況往往出現(xiàn)于被測對(duì)象為大型工件或工件為透明物體時(shí)。

　?。?）單幅采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響整體測量精度。

　?。?）累積誤差過大，使測量結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差。

　　（5）點(diǎn)云拼接錯(cuò)誤，導(dǎo)致較大測量誤差。

　　（6）測量結(jié)果中粗大點(diǎn)(噪音)數(shù)據(jù)過多。

　　3 誤差原因分析及提高精度的對(duì)策

　　筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，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(biāo)定不當(dāng)、標(biāo)尺使用不當(dāng)；測頭鏡頭組合選擇不當(dāng);測量順序不當(dāng)；測量策略選擇不當(dāng);工件表面標(biāo)志點(diǎn)安放不當(dāng)；測量過程中操作不當(dāng)；工件被測表面預(yù)處理不當(dāng)；后處理不當(dāng)；測量環(huán)境選擇不當(dāng)?shù)?，現(xiàn)分別分析如下：

　?。?）標(biāo)定不當(dāng)、標(biāo)尺使用不當(dāng)

　　掃描測量頭（測頭）由光源、CCD攝像機(jī)及相應(yīng)的鏡頭組構(gòu)成。在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集之前，首先需要對(duì)測頭進(jìn)行初始化，主要內(nèi)容包括：

　?、俑鶕?jù)被測對(duì)象的大小、表面特征的多少及其復(fù)雜程度選擇不同的鏡頭組合；

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

　?、鄹鶕?jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工作流程對(duì)所選定的鏡頭組合進(jìn)行標(biāo)定，使標(biāo)定精度值≤0.020；

　　如果測量之前未進(jìn)行上述工作，而是直接使用以前標(biāo)定的測頭進(jìn)行測量，則可能因鏡頭組合、光源光強(qiáng)、標(biāo)定精度不符合本次測量要求而無法保證測量精度，導(dǎo)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(yīng)及時(shí)對(duì)測頭進(jìn)行檢查，如已發(fā)生損壞，要進(jìn)行修理；如未發(fā)生損壞，也必須對(duì)測頭進(jìn)行重新標(biāo)定；即使測量中未發(fā)生任何操作失誤，但如果測量時(shí)間較長，也需定時(shí)對(duì)測頭進(jìn)行快速標(biāo)定，檢查測頭的精度狀況。

　　標(biāo)尺是對(duì)大型工件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)利用數(shù)碼像機(jī)對(duì)整個(gè)工件上的標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行定位的必備工具，所使用標(biāo)尺上的標(biāo)準(zhǔn)尺寸應(yīng)與實(shí)際利用照片進(jìn)行處理時(shí)所顯示的尺寸數(shù)值一致。

　?。?）測頭鏡頭組合選擇不當(dāng)

　　采集大型工件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)選用測量范圍較大的鏡頭組合，以實(shí)現(xiàn)總體數(shù)據(jù)的快速采集；對(duì)于其中部分特征較多、較小的區(qū)域，則最好選用測量范圍較小的鏡頭組合再進(jìn)行局部小特征的突出測量，以獲得較好的測量效果。

　　?對(duì)于大型工件，如選擇測量范圍較小的鏡頭組合進(jìn)行測量，則要求工件表面有較多用于點(diǎn)云拼接的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，這就會(huì)延長工件預(yù)處理時(shí)間，加大測量時(shí)間跨度，因環(huán)境溫度隨時(shí)間變化引起的誤差就會(huì)反映到測量結(jié)果中，且會(huì)影響整個(gè)測量效率。如果用數(shù)碼像機(jī)對(duì)整個(gè)工件上的標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行定位，測量時(shí)自動(dòng)進(jìn)行拼接，則因標(biāo)識(shí)點(diǎn)數(shù)較多、出現(xiàn)標(biāo)識(shí)點(diǎn)之間關(guān)系相同的概率變大，容易發(fā)生拼接錯(cuò)誤；如果不用數(shù)碼相機(jī)對(duì)整個(gè)工件上的標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行定位，相鄰單幅點(diǎn)云之間利用共同標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拼接，則由于拼接次數(shù)較多，也會(huì)產(chǎn)生拼接累積誤差過大的現(xiàn)象。