模块四 非接触式3D测量技术
4.1 三维激光扫描技术
4.1.1 典型的基于面结构光三维测量系统的结构 典型的基于面结构光三维测量系统的结构简图如图4.1所示。此系统由一个数字光栅投
影装置和一个（或多个）CCD摄像机组成，测量时使用数字光栅投影装置向被测物体投射 一组光强呈正旋分布的光栅图像，并使用CCD摄像机同时拍摄经被测物体表面调制而变形 的光栅图像；然后利用拍摄得到的光栅图像，根据相位计算方法得到光栅图像的绝对相位 值；最后根据预先标定的系统参数或相位-高度映射关系从绝对相位值计算出被测物体表 面的三维点云数据。此系统涉及相位计算、系统参数标定和三维重建等多个关键技术[41]。
环境空气湿度：10%-90% 非液化（请尽量保持环境干燥）。
环境光线：应将本机器置于无频闪光源、弱光照的稳定光强环境。
工作环境：置于可稳定放置的环境中工作。通常将其与三脚架稳固连接，或者直接将
其置于工作平台上使用。
其他要求：工作时测量系统与样品的工作距应保持固定，直至扫描测量结束（周围无
震动源）。请勿敲击、碰撞本产品，运输时请将其置于工具箱中，轻拿轻放。 2、配置要求 电源：220V 交流电源 操作系统：Windows7 32位旗舰版或专业版（推荐） 电脑：台式电脑 处理器：英特尔Core i5 750 @ 2.67GHz 主板：微星P55-SD50 (MS-7586) 芯片组：英特尔Core Processor DMI - P55 Express 芯片组 内存：4 GB ( 金士顿DDR3 1333MHz ) 主硬盘：500 GB (西数WDC WD5000AAKS-00V1A0) 主显卡：512 MB (Nvidia GeForce GT 240) 显示器：19英寸宽屏（1440x900）液晶显示器
图 4.1 典型的基于数字光栅投影的结构光三维测量系统结构简图
4.1.2 PowerScan系列快速三维测量系统介绍 1、系统框图 PowerScan三维测量系统采用是一种结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复
合三维非接触式测量技术[42]。测量时光栅投影装置投影特定编码的光栅条纹到待测物体上，
3、硬件连接 如图 4.8 所示，是三维测量系统与电脑主机连接的连线图。
图 4.8 硬件连线图
4、系统驱动和软件安装 硬件接线完成后，打开计算机和三维扫描仪电源，放入安装光盘。并按照以下顺序安装。 ① 运行时库安装 打开光盘“运行时库”文件夹，双击“MCRIstaller.exe”文件，根据软件安装步骤提示 进行操作，直到安装完成。如图4.9所示。
图 4.5 云台图
三角架结构如图4.6所示，其中： ①——三角架升降锁紧开关，用于控制三角架的升降； ②——三角架角度控制开关，用于调整三角架支撑杆之间的角度； ③——三角架伸缩控制开关，用于放出和收回三角架的内支撑杆。 注意：当三角架和云台都调整到最佳状态后，请锁定，以免发生意外。
图 4.6 三角架图
图 4.10 Basler 相机驱动安装界面
注：安装完成后启动桌面上 pylon IP Configurator 配置每个相机的静态 IP，使其与网卡 在同一个网段上。
③ 软件安装 将光盘“PowerScan”文件夹复制至目的盘即可。
4.1.4 软件界面介绍 打开三维测量系统软件，软件主界面包括以下栏目，如图4.11所示。 标题栏：本系统名称和当前活动窗口。 菜单栏：包括所有的操作选项。 工具栏：提供了操作的快捷方式。 视窗栏：如图4.11上面的数字所示，分别为： ① 文件名视窗：显示已扫描测量文件名称。 ② 显示视窗：显示已扫描测量获得的物体三维数据。 ③ 场景视窗：显示相机拍摄到被测量物体的图像场景。
摄像机同步采集相应图像，然后通过计算机对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、
三角形测量原理，解算出摄像机与投影仪公共视区内像素点的三维坐标，通过三维测量系 统软件界面可以实时观测相机图像以及生成的三维点云数据。系统框图如图4.2所示。
2、三维测量系统结构 PowerScan三维测量系统主要由高精度的CCD相机、投影设备、标定板、云台和三角架 等组成，结构如图4.3所示。

图 4.2 系统框图
图 4.3 三维测量系统结构示意图
3、三角架和云台介绍 如图4.4所示，系统中配合使用三角架和云台来稳定三维测量系统的位置。三角架主 要用来稳定三维测量系统并且调整测量高度，云台主要用来调整系统的俯仰角度，下面 详细介绍云台和三角架的组成及各组件功能。
图 4.4 三角架和云台
云台的结构如图4.5所示，其中： ①——云台竖直控制手柄，用于调整扫描仪在竖直方向的俯仰角度； ②——云台水平控制手柄，用于调整扫描仪在水平方向的倾斜角度； ③——云台转动控制旋钮，用于控制扫描仪在水平面内的转动； ④——云台安装控制把手，用于固定和拆卸扫描仪。
4、标定板 标定板样式如图4-7所示，三维测量系统通过拍摄标定板在不同位置的图像，经过一系 列计算来实现对系统的标定。一般根据扫描物体的大小，选择不同尺寸的标定板。 注意：使用过程中请保持标定板干净整洁，确保标记点准确完整
图4.7 标定板图
4.1.3 三维测量系统安装调试
1、环境要求
环境温度：-10℃—35℃（为达到最佳测量精度，将机器至于恒温环境为宜）。
图 4.9 运行时库安装界面
② 相机驱动安装 打开光盘“basler 相机驱动”文件夹，双击“Basler pylon x64 4.1.0.3660.exe”文件（32 位程序则打开 Basler pylon x86 4.1.0.3660.exe），根据软件安装步骤提示进行操作，直到安装 完成。如图 4.10
图 4.11 三维扫系统软件主界面
1、 菜单栏、工具栏 （1）文件菜单如图 4.12 所示，包括新建、打开、保存和另存为四个功能。
图 4.12 文件菜单
（2）相机设置工具栏如图 4.13 所示，包括图像采集、设置等相关功能。
图 4.13 相机设置工具栏
① 工具栏中的图像采集部分包括： ●连续采集：连续采集图像； ●停止采集：停止采集图像。 ② 工具栏中的测试类别部分包括： ●十字图像：投影出一个十字，用以调节系统的最佳测量距离，当投影十字与相机视 图框内十重合时，扫描测量效果最佳； ●光栅图像：投影出光栅条纹图像，用以调节相机曝光时间； ●白色图像；投影白色光，用以预览图像。 ③ 工具栏中的参数设置部分包括： ●曝光时间：用于调节整幅图像的亮度； ●增益调节：用于调节图像的对比度、清晰度。设置此项目时，可以用鼠标左键拖住 滑块进行左右移动，也可以直接在文本框内手动输入一个整数值，也可以点击增减按钮， 每次加1 或减1。通常情况，在初始状态下，增益可设为8，在以后使用中可根据实际效 果进行修改，一般普通扫描时增益值在4 到12 之间； ●包长调节：根据计算机带宽选择包长。