激光扫描仪原理

在现代制造业中, 正向设计仅占 40 %, 逆向设计占60 %, 逆向技术是为正向技术服务的。

三维激光扫描技术, 是从复杂实体或实景中重建目标的全景三维数据及模型, 主要是获取目标的线、面、体、空间等三维实测数据并进行高精度的三维逆向建模, 它区别于传统的单点定位测量及点线测绘技术。

三维激光扫描技术集光、机、电等各种技术于一身, 它是从传统测绘计量技术并经过精密的传感工艺整合及多种现代高科技手段集成而发展起来的,是对多种传统测绘技术的概括及一体化。

例如法国MENSI 技术产生于1987 年, 最初应用在金属结构及管线工程方面, 随着应用的不断深入及技术不断提高, 逐渐被广泛的应用于核电站、文物、考古、建筑业、航天、航空、船舶、制造、军工、军事、石化、医学、水利、能源、电力、交通、机械、影视、教学、科研、汽车、公安等。应用内容涉及到目标的建模、复制、仿制、仿研、仿真、修复、翻新、结构分析改造、维护、建档及用于任务的模拟、训练、仿真、虚拟现实、推演、试验、检测、变形分析、CAD 、CAM 、 CMMS 、有限元应力分析、流体动力分析、其他逆向工程等用途。

技术构成：三维激光扫描测量技术的核心是激光发射器、激光反射镜、激光自适应聚焦控制单元、CCD 技术、光机电自动传感装置(包括:激光水平46°步进传感、同轴纵向320°步进自旋转、目标遥控捕捉及取景)等, 参见图1 。

从系统组成来看, 它包括三维激光扫描仪、可便携三脚架、线缆、便携电脑及控制装置、定标球及标尺、测控软件、信息后处理软件等, 参见图2 。

原理：三维激光扫描测量技术是基于测绘技术发展起来的, 但测绘方法不同于传统测绘技术, 传统测绘技术是单点定位的高精度测量目标, 它是对指定目标中的某一点位进行精确而确定的三维坐标数据测量,进而得到一个单独的或一些离散的点坐标数据, 这类技术有如三坐标测量仪、经纬仪、全站仪、激光跟踪仪等, 而三维激光扫描仪则是对确定目标的整体或局部进行完整的三维坐标数据测量, 这就意味着激光测量单元必须进行从左到右, 从上到下的全自动高精度步进测量(即扫描测量), 进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点坐标数据, 这些密集而连续的点数据也叫做“ 点云” , 这也就使三维激光扫描测量技术发生了质的飞跃, 这个飞跃也意味着三维激光扫描测绘技术可以真实描述目标的整体结构及形态特性, 并通过扫描测量点云编织出的“外皮”来逼近目标的完整原形及矢量化数据结构, 这里统称为目标的三维重建。见图3 。息转化成数字电信号并直接传送给计算机系统进行计算。进而得到被测点的三维坐标数据。操作员使用一个便携计算机便可在现场遥控操作。传感器中的视频微摄像机可以提供实时获取观测景象。扫描视角是320°×46°。

视频摄像可以实时监测并遥视扫描过程, 还可用来捕捉所需要的目标图象, 以便后处理时的校准工作。完整重建目标, 仅仅从一个观测点扫描测绘目标数据是不够的, 还必须在不同观测点进行扫描测绘, 并且在同一个空间坐标系中合并后才能生成, MENSI 技术提供了人工辅助的自动合并功能, 只要在扫描目标前规划好扫描内容并且设置好定标球便可。如图4 。

如图5 , 将不同观测点扫描的点云内容在同一个空间坐标系中进行合并, 然后在后处理软件功能模块中剪裁掉无关的部分, 便得到所需的目标三维重建内容, 接下来的工作是对点云质量进行处理(如图6), 进行平滑、去噪、精度筛选、方差均值处理等,这样便得到可以用于各种应用目的的工作, 如:测绘、计量等, 如果再经过三维建模处理后, 就可以在需要三维实体模型为基础的各种工作中扮演角色,如:可以转化给各种CAD 软件进行处理、可转化给有限元分析软件进行各种应力分析处理、可转化给流体动力分析软件进行处理、可转化给检测软件进行结构分析检测用、可转化到三维设计软件中进行还原处理及逆设计逆向工程工作、可转化到虚拟现实软件进行三维可视化处理…, 总之, 基于点云及三维模型进行后处理加工的内容非常丰富, 而且是目前很多领域的不可缺少的内容。

实体滤波范围对话框

点云是由三维激光扫描的无数测量点数据构成的, 而每个点坐标数据的质量都非常重要。如图 7所示,MENSI 处理技术在于它可以点云数据进行优化处理, 如:基于精度分布形态来过滤噪音点或劣质点, 从而提高重建目标的整体精度及质量。