摘 要：随着科技的发展，三维扫描技术被越来越广泛地应用，三维扫描主要是用于通过对物体结构和外形轮廓进行扫描，来获得扫描目标外形表面的三维坐标。扫描时应用三维激光扫描仪快速地获得扫描目标的外形表面的三维坐标云数据，然后对获得云数据用建模软件进行处理，重新构建物体的三维模型。人工对一些大型的复杂零件进行尺寸测量有一定难度，可以用激光三维扫描仪测量。同时，三维激光扫描仪也可以用于复杂的工作环境。但是，扫描过程会存在各种因素，可能会出现误差，从而对建模造成影响，导致构建出的模型和实体模型有很大偏差。所以，提高扫描精度对于三维扫描具有重要意义。

关键词：三维激光扫描;误差分析;提高精度

1  三维扫描技术的原理

1.1  结构光扫描原理

三维扫描技术可以对物体进行照相测量。所谓的照相测量就是相当于用照相机对视野范围内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图像，而三维扫描的测量仪获得的是物体的三维坐标[1]。

1.2  激光扫描原理

激光扫描仪的基本结构包含激光光源及扫描器、受光感（检）测器、控制单元等部分。激光光源是密闭的，不容易受到环境的影响，而且可以形成光束，通常用低功率的可见光激光，比如氦氖激光、半导体激光等。扫描器是旋转多面棱规或双面镜，当光束射入扫描器后，可以快速转动使激光反射成一个扫描光束。光束扫描全程中，如果有工件挡住光线，则可以测知直径大小[2]。

1.3  三坐标原理

三坐标测量机[3]是由3个互相垂直的运动轴XYZ建立起的一个直角坐标系，测头的运动都在坐标系中进行，测头的运动轨迹由测球中心来表示。测量时，把被测零件放在工作台上，测头与零件表面接触，三坐标测量机的检测系统可以随时给出测球中心点在坐标系中的精确位置。

2  影响三维激光扫描精度的因素

在三维激光扫描的过程中，有很多影响扫描精度的因素，还有随机因素造成的误差等，都可能会影响到最终的测量结果，导致三维激光扫描产生误差[4]。

2.1  仪器误差

仪器误差是因为三维激光测量仪器本身性能缺陷所产生的测量误差[5-6]。

（1）角度和测距误差。三维激光扫描仪主要由角度测量装置和激光光束偏转装置两部分组成。激光光束偏转系统容易在水平方向和垂直方向产生测量偏差，同时扫描电机非均匀的转动和细微的振动导致实际数据点同测量值存在坐标差值。

（2）滤镜自身误差。透镜既不是理想的，也不是很薄的。当透镜相对物距很大或物体离透镜轴很远时，单透镜的初级像差是很严重的。为此，目前工業领域一般采用消除初级像差的影响。

（3）摄像机分辨率影响。分辨率表征仪器检测工件的最高解析能力，主要由像素尺寸和像素间距的大小因数决定。CCD摄像机对像素位置测量只能取整数，而且不是连续的量，主要还取决于测量范围。国内外一般常采用双摄像头三角测量方法，两个摄像头对称分布在光平面的两侧，接收光束的漫反射光，有利于减少测量的盲区，增加接收光束的漫反射光。

2.2  与目标物体的误差

任何时候，物体的反射特性都会影响到反射信号的强度。与目标物体反射面有关的误差包括目标物体表面材质、粗糙程度、射面倾斜和颜色等引起的误差[7]。

2.2.1  被测工件表面的粗糙度的影响

点云测量精度与被测目标表面的粗糙度有密切关系。由于三维扫描仪激光回波信号具有多值性特点，不同的系统对回波信号处理的方式不同，导致激光脚点位置误差ds小于等于工件表面的最大粗糙度∆max的50%。然而，工件表面的光滑程度并不是越光滑越好，如果被测工件表面十分光滑，往往会出现不同程度的镜面反射现象，引起测量数据较大误差或点云数据不完整，甚至出现系统报警。工件表面粗糙度引起测距偏差如图1所示。

2.2.2  被测工件表面倾斜度的影响

激光光束的起始直径大小恒定，并且具有一定的发散角，导致激光从发射孔到工件的实际距离同测量值存在微小偏差，同时不同的倾斜角度导致的误差也不尽相同。激光光束的起始直径大小恒定，并且具有一定的发散角，导致激光从发射孔到工件的实际距离同测量值存在微小偏差，同时不同的倾斜角度导致的误差也不尽相同。工件表面倾斜度引起测距偏差如图2所示。

2.2.3  反射率

由于激光照射到工件表面都会被其不同程度的吸收和反射，所以激光测距主要依赖于激光反射工件的能力。一般情况下，激光反射率会受到工件的粗糙度、表面颜色和材质的影响。表面颜色由物体反射电磁波的波长决定，反映了材质的特性，不同材质在不同波长下的反射率如表1所示。

各种工件表面反射率不同，将导致激光扫描产生微小的系统性均方根误差，表明白色表面比黑色、暗灰色表面测量精度高，影响误差小。

为提高测量精度，可在检测前对被测工件进行表面喷涂，使被测工件表面呈现良好的漫反射，有效改善被测工件由于反光、透明、抑或各种颜色、材质造成的扫描数据质量差等缺陷，使其更易于扫描和获取高质量的点云数据。

2.3  与外界环境有关的误差

扫描仪在测量时的精度还受到外部环境影响，如温度、湿度和压强等，这些因素会影响到电器元件的尺寸与形变、激光在介质传播速度及折射率，从而直接或间接地影响测量精度。此外，室外空气质量的好坏也会影响到最终测量结果，如暴雨、沙尘暴、雾霾等天气会增加最终测量的噪点数量，增加后续数据处理的难度。

温度是外部环境中对测量精度影响最大的因素，也是可控性最强的途径之一。当温度超越临界范围时，设备的供电性能、精密机械构件和扫描仪测量速度都会受到影响。因此，在使用工业级三维激光扫描仪和手持式激光扫描仪时，都会给出仪器正常工作温度范围，一般在非冷凝环境下0～45 ℃。所以在使用设备前，要选择良好的外界环境，以便提高扫描数据的精度。

2.4  操作误差对精度的影响情况

（1）采样距离。三维激光扫描仪的精度与实际使用过程中的采样距离和物体的反射率有关。对于同样的工件，在不同位置测量的数据不同，因此采样距离决定着精度的结果。

（2）标靶数量和类型及位置。合理设置参考标靶类型、数量和位置能够有效提高数据扫描的精度。理论上，工件变换位置，至少保证有4个公共标靶，且适当增加标靶数量可以有效提高后期拼接精度。同时，由于纸质黑白标靶黏性不稳定和易出现凸起现象，为提高后期拼接精度，一般采用球形标靶或球形标靶与磁性标靶组合使用的方式进行测量。此外，标靶的位置应避免定位点过密、线形排列或有规律地分布现象，任意两点的距离保证在20～100 mm为宜。

（3）光栅影响。当被测工件表面的颜色偏暗时，可在扫描系统的设置项中“单面扫描项”中选择“白色光栅”;若被测工件表面颜色偏亮，可在设置菜单项中“单面扫描项”选项，选择“红色光栅”。

3  结语

三维激光扫描仪对目标物体外表面进行扫描，可以快速获得被测物体的三维坐标，这些三维坐标有很多，少的有几万，多的达到几百万，然后通过建模软件对这些大量数据进行处理，就可以得到待测物体的三维模型。三维激光扫描仪在扫描物体时具有速度快的优点，同时对于大型的复杂零件，人工测量其尺寸有难度，这时可以运用激光三维扫描仪进行测量。现如今，随着技术的发展，三维扫描技术越来越重要，这也就要求扫描精度要高，但是在扫描过程中由于各种因素，不可避免地会产生误差，这会对建模有很大的影响，若对误差置之不理，最后构建出来的实体模型由于误差的存在而与原型大相径庭。因此，提高扫描精度对三维扫描具有重要意义。

[参考文献]

[1]郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析[J].测绘工程，2005（2）：32-34.

[2]杨忞婧.地面三维激光扫描仪的测量误差分析[J].东华理工大学学报（自然科学版），2013（2）：228-232.

[3]李海泉，杨晓峰，赵彦刚.地面三维激光扫描测量精度的影响因素和控制方法[J].测绘标准化，2011（1）：29-31.

[4]李佳龙，郑德华，何丽，等.目标颜色和入射角对Trimble GX扫描点云精度的影响[J].测绘工程，2012（5）：75-79.

[5]王俊杰.三维激光扫描数据采集误差来源及精度分析[J].科协论坛，2011（5）：97-98.

[6]李英成，文沃根，王伟.快速获取地面三维数据的LIDAR技术系统[J].测绘科学，2002（4）：35-38.

[7]齐立哲，汤青，王京，等.机器人三维激光扫描视觉系统标定误差[J].城市勘测，2016（2）：93-96.

（编辑 王永超）

Research on scanning accuracy of 3D scanning technology

Han Yumeng

（Guidaojiaotong Polytechnic Institute， Shenyang 110023， China）

Abstract：With the development of science and technology， 3D scanning is more and more widely used. 3D scanning is mainly used to obtain the 3D coordinates of the surface of the object by scanning the structure and contour of the object. In scanning， 3D laser scanner is used to quickly obtain the 3D coordinate cloud data of the external surface of the scanning target， and then the 3D model of the object is reconstructed by modeling software. Some large complex parts， manual size measurement has some difficulty， which can be measured by laser 3D scanner. At the same time， 3D laser scanner can also be used in complex working environment. However， there will be various factors in the scanning process， which may lead to errors， which will affect the modeling， resulting in a large deviation between the constructed model and the solid model. Therefore， improving the scanning accuracy is of great significance for 3D scanning.

Key words：3D laser scanning; error analysis; improving accuracy

作者簡介：韩雨萌（1990— ），女，辽宁葫芦岛人，助教，硕士;研究方向：机械工程。