李振

利用激光扫描技术能够非常方便地获取被测物体的三维信息并建立模型，但仪器设备价格较高，不能很好地应用于课堂教学。文章设计一种简易的三维激光扫描实验装置，结构简单，能够实现基本的三维扫描功能，满足基本的教学需要。

【关键词】激光 扫描 装置

1 前言

在现代检测领域的很多场合，我们需要快速、准确、有效地获取空间三维信息。传统测量技术主要是单点精确测量，可以很方便的测量出工件的几何参数，但是用来建模就很困难。理论上，我们可以对一个物体测量许多个点，然后根据这些点的参数来建立物体的三维模型。为了准确描述目标结构的完整属性，需要大量的测量点采集，少则几万个，多则几百万以上，如果用传统的测量方法，工作量太大，效率太低。

传统的检测方法和技术很难快速准确地获取各种大型、复杂、不规则被测物体或实景的三维数据信息。利用三维激光扫描技术，可以迅速地获取将被测物体的多维数据信息，进而可以快速复现被测物体的三维实体模型。同时，还可以对激光扫描中获取的三维点云数据进行有限元分析、仿真分析、任务模拟等后续的处理工作，也可以作为UG、CAD、有限元等各种正向工程工具对称应用的工具。三维激光扫描技术应用广泛，但是成本也较高。本文介绍一种简易的三维激光扫描实验装置，利用一些简单的元器件即可组装，完成基本的扫描任务，可较好地应用于课堂教学。

2 实验装置的工作原理

由激光发射器将红外光照射到被扫描物体上，利用改进后的摄像头（只能吸收红外光）对物体进行拍摄。摄像头采集的信息经软件处理后生成点云，再将点云模拟成物体的具体形状，实现三维扫描功能。

3 元器件的选用

3.1 激光发射器的选用

激光发射器的作用是产生激光并将其照射到被扫描物体上。激光照射到物体表面一般有两种类型，点状和线状。线型光照射到被测物体反射后得到的是一个扫描截面的数据，所以采用线型光可以加快扫描速度，精度也较高。虽然线型光的光亮强度会随着距离的增加而衰减，但是当被扫描的物体距离较近时，完全可以满足要求。

对于激光发射器的选择，主要考虑发射波长和功率。本装置建议选用波长为850nm的红外激光发射器，与后续的红外滤光片相配套（见“摄像头的选用”）。为了能够缩短摄像机曝光速率进而从画面上过滤到环境光的干扰，一般选择较高的激光器功率。选择较高功率的激光器还可以增加扫描距离。但是，选择激光发射器时还应考虑安全问题，功率越大，存在的安全隐患也越大。所以，本装置不宜选取功率较大的激光发射器，建议选择功率小于100MW的激光器，并时刻注意在使用时不能用眼睛直视。

3.2 摄像头的选用

摄像头的作用是采集图像信息。如果摄像头只能采集物体表面被照射的光线而不采集其他光线，这样成像的效果最好，可大大减小环境干扰。一般市面常见的USB VGA摄像头（像素越高越好）即可满足要求，但是需要对其做一改进。为了能够使摄像头只采集物体表面上的光线，需要移除摄像头镜片中的红外截止滤光片，自行安装一个红外滤光片。

红外滤光片允许红外光透过而对可见光截止，它的透光波长范围要与前面所选的红外激光发射器波长相对应。如果不移除红外截止滤光片，则只能够感受到很微弱的红外信号。

3.3 伺服电机的选择

为了能够扫描物体的全部或某一特定轮廓形状，需要激光发射器与摄像头一起相对被扫描物体做旋转运动。实现这一运动有两种方式，即手动与自动两种方式。手动形式最简单的方法就是手持物体或激光器使其旋转，另外一种方法就是将激光器安装在专用支架上，然后手动旋转调整。自动形式则需要采用步进电机，通过步进电机控制工作台，带动激光器或者物体做精确的旋转运动，可以相对转动某一指定的角度。

本实验装置中选用的摄像头帧率是30fps，扫描速度不快，对步进电机无太高要求，只要能够直接控制定位到指定角度，驱动相对容易即可。普通的标准舵机虽然精度相对较低，但是考虑到本装置的成本与使用场合，可满足要求。

4 图像的处理和渲染

利用专门软件对摄像头采集的图像信息进行处理，生成点云，从而建立被扫描物体的三维模型。由于采用了红外激光器，在加装滤光片后，背景光干扰被有效的去除。画面上除了激光光斑外，几乎看不到别的内容。红外激光在摄像头中将以偏紫色的色彩显示。一般情况下，可自行编写软件来查看3D点云，也可以利用开源的MeshLab、Matlab、Blender等工具查看点云。对于一般的实验装置，可以选择david-laserscanner或者blender软件，这两款软件使用方便、功能强大。

5 结语

现在市面上有很多三维激光扫描装置，功能强大并且精度很高，但是价格不菲。文中介绍的扫描实验装置结构简单，只要明白了工作原理，完全可以自己组装，能够实现基本的扫描功能，价格低廉，非常适用于课堂教学和学生的课外知识拓展。但是本实验装置也存在一些问题，比如扫描精度有待提高，如何将多次扫描的点云对接起来等。相对于几千元甚至数万元的激光扫描仪，该实验装置具有非常高的性价比。

参考文献

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作者单位

九江职业技术学院 江西省九江市 332007endprint