基于模型的3D扫描实践

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2024年6月22日发(作者：)

基于模型的3D扫描实践

本文阐述了数据测量的方法，和3D扫描仪的测量模式，介绍了模型数据采

集，得到点云数据。运用Geomagic Qualify软件对数据去噪、修补、实现数据的

优化并对点云数据封装，获得最佳三角形拟合的模型。

标签：3D扫描；显像剂；Geomagic Qualify

1 数据测量方法概述

数据测量是整个逆向工程技术的基础，测量工作是工作流程中的第一阶段，

后面的工作都要在此基础上来完成。如果测量的数据存在误差，模型重构所生成

的模型就不可能相对准确，并且最终导致生产出来的产品不能够如实的反应原来

的实物模型。测量方法主要有两种：接触式测量法和非接触式测量法[1，2]。

1.1 接触式测量方法

接触式测量是指利用接触式测量设备对实物外表面进行数据采集。工作时，

通过传感器测量探头与被测量物体直接接触，从而产生一个记录信号，然后通过

一定的存储设备记录下来。接触式测量方法根据测量原理的不同分为点位触发式

数据采集和连续式数据采集两种。

1.2 非接触式测量方法

随着测量技术的不断发展，接触式测量方法已经不能满足测量市场的需要，

因而产生了非接触式测量方法。非接触式测量就是根据光学、声学、磁学等领域

的基本原理，利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象，如光、声、磁等模

拟量信号转化为样件模型表面的坐标信息，从而完成对样件表面的数据采集。主

要有以下几种：投影光栅法、超声波法、工业CT扫描法、逐层切削照相测量、

深度图像三维测量法、核磁共振法（MRI）、自动断层扫描法等[3]。

1.3 测量模式

测量模式分为单面扫描、标志点拼接、建立框架。

（1）单面扫描。针对比较简单的物体进行单面的扫描，就可以得到所需的

数据。

（2）标志点拼接。对较大的物体，需要多次扫描获得数据，但是要通过贴

标志点进行拼接。

（3）建立框架拼接。有些大物体被测量时，要求精度高，为防止测量的累

计误差较大，需要建力框架控制误差。

2 模型的扫描实践

为了使扫描实物的效果好，须用液体显像剂对实物进行喷涂，喷涂后须等待

实物表面的显像剂晾干，方可移动进行后续操作。然后将标志点贴于实物上，一

般在实物上贴5个标志点，尽量错开保证后续在不同角度扫描时，扫描仪能捕捉

到最少三个贴标点，确保每次扫描的对象能够顺利拼接。

3 掃描数据处理

利用了非接触式测量法，提高了工作效率和扫描精度，但扫描仪对塑件扫描

过程中，同一部位可能会被多次扫描，产生的点云会不断叠加，扫描的结果包含

了大量的冗余数据，对塑件后期的外形产生影响，如点云拟合的曲线、曲面的精

度会降低。因此需要对扫描的数据进行必要的处理。测量数据是通过光学3D扫

描仪获得的点云。该点云是散乱的点云，处理的方法主要包括：对多次测量得到

的点云去除噪声点、减少冗余数据、修补缺损数据、对数据进行封装等等。

3.1 去除噪声点

去除噪声点的方法比较多，有人机交互法，最小二乘法，弦高差方法、平滑

滤波法，常用的方法是人机交互法。通常将点云可以导入Geomagic Qualify软件，

进行降噪处理。

3.2 数据修补

（1）数据修补的概念。对数据进行了降噪处理之后，有的部位形状复杂或

测量方法不够准确等问题，在用专业软件打开后发现点云数据有缺失。多数情况

实物需要扫描反面，就需要在实物的侧面增加标志点进行过渡，而每次增加一个

过渡拼接点，其实物的点云就形成一个孔洞，也就是点云数据丢失。

（2）数据修补的常用方法。数据修补在工程实践中是一个综合的操作过程，

对人的要求较高。常用的方法有直接填充法、造型设计法等。

4 数据优化及封装

（1）点云数据的优化。随着每次扫描的点云数据不断增加，数据量比较庞

大。这对工作站的硬件配置要求较高，同时影响数据的处理速度，所以在不影响

实物扫描的精度前提下对获得的点云进行数据优化。

（2）点云数据的封装。点云数据优化后，对点云进行封装。通过Geomagic

Qualify软件对点云数据的计算，以若干个三角形拟合模型。在这过程中，前期

的降噪处理和数据的优化显得尤其重要，需要重复进行以获得最佳三角形拟合的

模型质量，对高精度要求的零件需要更多的细心和耐心。

5 模型重构

模型的重构一般是根据扫描数据上的特征点，以点建线，以线建面的过程。

前面虽然进行了点云数据的封装，但由于3D扫描过程中有死角导致点云缺失，

或者由于贴标遮挡扫描物体形成的破孔等原因不能形成完整的数据，需要重新建

模。在工程实践中，由于物体扫描之前是随机摆放的，通过扫描仪得到的3D数

据形成的坐标系与软件空间的工作坐标系不匹配，所以要对3D数据重新定位，

便于建模。总的设计思路是找特征点，接着连线再确定平面摆正3D数据，然后

利用曲线拟合的方法进行造型。建模的总体思想是先大后小，先主后次的操作方

法，利用各种建模命令对平面体进行造型。

6 总结

通过前面的3D扫描介绍，从获得点云数据，对数据优化后生成可操作的小

平面体，利用小平面体进行了3D重构，获得了产品的近似原型。但对于精度要

求较高的实物模型，在造型后的数字模型需要对扫描的数据进行比对，通过软件

分析两者之间的重合度，如果重合度不高，需要重新建模或扫描三维数据。这个

过程有可能出现反复，直到达到最优的重合度或满足塑件的功能要求，一般在工

程实践中对装配件更加要注意。

随着中国制造2025的提出，传统工业体制运行模式将发生质的变化，新产

品开发的周期也将越来越短。本文提出的基于原始的3D扫描实践也是制造业当

中常用的逆向工程技术，是产品前期开发中，对外观、功能的验证，从而降低产

品的生产成本。

参考文献：

[1]陈丽.逆向工程关键技术的研究与应用[D].西安工业大学，2011.

[2]Marek Vanco，Guido Brunnett. Direct Segmentation of Algebraic Models for

Reverse Engineering [J].Computing， 2004：207-220.

[3]宋岩，周艳华，刘雅翔等.逆向工程技术及工程应用研究[J].科技资讯，2010

（35）：43-44.

本文标签： 数据扫描测量进行