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1、1,三维扫描技术在生产中的应用与发展,2,随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速发展，并在各类生产中得到了越来越广泛的应用，先后出现了数控系统、柔性制造系统、计算机辅助设计制造、计算机集成制造系统等先进制造技术，以及制造资源规划、精益生产、敏捷制造、可重组技术等先进制造模式，制造业正在经历一场新的技术革命。 三维扫描技术作为生产制造中的一项重要技术支撑，起着不可或缺的作用，并逐渐形成一门新的科学。,一、三维扫描仪的产生背景,3,我们在日常生活中随时都会接触到各种实体，而利用一般的技术手段如照相机、平面扫描仪等获得都是物体的二维信息。但在诸多领域如产品设计、工业检测、实物仿形、生物医学等仅仅
2、用物体的二维信息是满足不了要求的，因此如何获得物体的三维数据并将其转化为计算机可以直接处理的三维模型是关键，而三维扫描技术的出现使得这一问题迎刃而解。三维扫描仪就是针对三维信息领域的发展而研制开发的计算机输入信息的前端设备。只需对任意实际物体进行扫描，就能在电脑上得到实物的三维图像和物体真实的色彩。,4,二、概 念,三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，通过测量空间物体表面点的三维坐标值，得到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接处理的三维模型，又称为“实景复制技术” 。三维扫描技术是集光、机、电和计算机于一体的一项高新技术。该技术作为获取空间数据的有效手段 ，能够快速的获取反
3、映客观事物实时、动态变化、真实形态特性的信息。在国内外诸多领域得到广泛的应用，显示了巨大的技术先进性和强大的生命力。,5,三、三维扫描仪的分类,6,1、三坐标测量机 接触式测量又称为机械测量，这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一。三坐标测量机是接触式测量仪中的典型代表，它以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。根据测量传感器的运动方式和触发信号的产生方式的不同，一般将接触式测量方法分为单点触发式和连续扫描式两种。,7,工作原理：三坐标测量机的测量传感器的主要形式为各种不同直径和形状的探针(或称为接触测头)，当探针沿被测物体表面运动时，被测表面
4、的反作用力使探针发生形变。这种形变触发测量传感器，将测出的信号反馈给测量控制系统，经计算机进行相关的处理得到所测量点的三维坐标。,8,特点：适用性强、精度高（可达微米级别）；不受物体光照和颜色的限制；适用于没有复杂型腔、外形尺寸较为简单的实体的测量；由于采用接触式测量，可能损伤探头和被测物表面，也不能对软质的物体进行测量，应用范围受到限制；受环境温湿度影响；同时扫描速度受到机械运动的限制，且测量前需要规划测量路径，测量速度慢、效率低；目前还需要人工干预，不可能实现全自动测量；接触测头的扫描路径不可能遍历被测曲面的所有点，它获取的只是关键特征点，因而，它的测量结果往往不能反映整个零件的形状。,9
5、,2、三维激光扫描仪,现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速发展，各种各样的新型测量方法不断产生，它们具有非接触、无损伤、高精度、高速度以及易于在计算机控制下实行自动化测量等一系列特点，已经成为现代三维面形测量的重要途径及发展方向。而三维激光扫描仪在非接触式扫描中占据着非常重要的角色。,10,分类及原理：三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为一维(单点)扫描仪、二维(线列)扫描仪和三维(面列)扫描仪。而按照不同工作原理来分类，可分为脉冲测距法（亦称时间差测量法）和三角测量法。 脉冲测距法：激光扫描仪由激
6、光发射体向物体在时间 t1发送一束激光，由于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收器会在时间 t2接收到反射激光。由光速 c，时间 t1，t2算出扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c/2。,11,当用该方式测量近距离物体的时候，就会产生很大误差。所以相位法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合于近景扫描。 三角测量法：三角测量法的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用 CCD（图像传感器）光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度 。然后结合己知
7、激光光源与 CCD 之间的基线长度 d，经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距Ldtan。,12,三角测量法的特点：结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征等因素的影响。 三维激光扫描仪的特点： （1）非接触测量 即对扫描目标物体无需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据。可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。 （2）数据采样率高 目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可以达到数千点/秒，而采用相位激光
8、方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点/秒。 （3）主动发射扫描光源 即激光，通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息，因此在扫描过程中，可以不受扫描环境的时空约束进行测量。,13,（4）高分辨率、高精度 三维激光扫描技术可以快速、高精度的获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。 （5）数字化采集、兼容性好 三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理及输出。能够与其它常用软件进行数据交换及共享，如 geomagic、imageware、UG、Catia 等。 （6）可与外置数码相机、GPS 系统配
9、合使用 这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，使对信息的获取更加全面、准确。外置数码相机，可增强彩色信息的采集；结合GPS 定位系统，可进一步提高测量数据的准确性。,14,3、三维照相式扫描仪,在非接触式三维扫描仪中，还有一个很重要的就是三维白光扫描仪，其工作过程类似于照相过程，扫描物体的时候一次性扫描一个测量面，快速，简洁，因此而得名。照相式三维扫描采用的是面光技术，扫描速度非常快，一般在几秒内便可以获取百万多个测量点，基于多视角的测量数据拼接，则可以完成物体360度扫描，是三维扫描和工业设计、工业检测的好助手。 扫描实例,15,三维白光扫描仪工作原理：采用结构光技术、相位测量技术、
10、计算机视觉技术的三维非接触式测量方式，测量时光栅（光点）装置投射数幅特定编码的结构光线（点）到待测物体上，成一定夹角的两个(或多个)摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行相位和解码计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个(或多个)工业相机公共视场内物体表面像素点的三维坐标。,16,三维白光扫描仪的特点： （1）非接触测量 采用非接触扫描方式，稳定性高，适用范围广，可以测量外观复杂、柔软或易磨损的物体； （2）精度高 单面测量精度可达微米级别； （3）对环境要求较低 无需在暗室操作，对人体无辐射危害，工作环境范围广，在露天环境亦可操作； （4）对个别颜色（如黑色）及透明材料有限制，需要喷
11、涂显像剂方能较好的扫描出来。,17,三维扫描技术的国内外发展现状,国外在这方面起步比较早，技术已经比较成熟1994年，M.levoy和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率的色彩图像获取并重建了Michelangelo的主要雕塑品，并提出了一系列的相关技术；1997年，加拿大NRC（National Research Council）的El-Hakim构建了自己的硬件平台，他们将激光扫描仪和CCD照相机固定在小车上，得到了一个数据采集和配准系统DCR，并与1998年在原有系统的基础上实现了一个室内场景的三维建模系统；2001年，Y.YU等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实物提取出来，
12、并对物体的三维模型提供了编辑和一定功能；2002年，I.Stamos和P.K.Allen实现了一个完整的系统，该系统能同时获得室外大型建筑的深度图像和彩色图像，并最终会付出建筑物具有照片真实感的三维模型； 除此之外，Fruh等人使用2D激光扫描仪、数码照相机并同时借助航空图像和航空激光扫描数据恢复了建筑物屋顶带有色彩的集合模型，得到了更为完整的街区三维模型。,18,国内对于三维激光扫描重建技术的研究齐步比较晚，但是也在部分领域取得一定的成果。自2000年起至今，北京大学的三维视觉与机器人实验室使用具有不同扫描特性的激光扫描仪、全方位摄像系统与高分辨率照相机完成了建模对象几何与纹理的采集并通过这
13、些数据的配准与无缝拼接完成了三维物体模型的建立；2005年，首都师范大学三维空间信息获取与地学应用教育部重点实验室给出了一种基于激光扫描数据的室外场景表面重建方法，该方法可以完成建筑物单一表面的重建。目前国内外对于三维激光扫描技术的研究均受到复杂场景的几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件、复杂的地形以及不规则的未知遮挡物等限制，因此如何快速而又精确的扫描出复杂的三维物体仍是研究该技术的关键。,19,四、应用三维扫描仪的流程,利用相关软件如 Geomagic,Imageware,Rapidform等对点云数据进行预处理,测量方案制定、获取点云数据,产品/原型 测量规划 测量数据 模型分
14、析 建模方案制定 数据预处理,20,数据分块 特征约束重建 平面、二次曲面、 Beiser曲面、NURBS曲面 数字化模型 STL模型 新产品数字化模型重构RP快速原型 CAE/CAM/CNC 新产品/新原型,利用软件进行曲面重构，得到更精确的实模型体，为产品的快速原型制造或快速开发做好准备。,曲面重构,几何约束,创新设计,21,五、三维激光扫描仪的应用,三维激光扫描技术的应用面非常宽广。在诸多领域如：逆向工程、数据可视化、计算机辅助设计、虚拟现实环境、数字文物、数字博物馆、数字考古、地形勘测、犯罪现场检测、数字城市、城市规划、数字娱乐(游戏、动画、电影)等，均有广泛的应用。,22,（1） 逆
15、向工程（Reverse Engineering） 逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。比如，现在需要快速而精确的复制一个机械零件。首先通过三维激光扫描，获取其表面点云的三维数据信息，并由此信息在计算机中建立该物体的三维几何模型，并对该模型进行修正改进，进而开发出同类产品。当需要对零件设计进行修改的时候，只需对计算机中已经建立的三维模型进行修改，就可以获得同样的效果，大大提高了工作效率，缩短了工期。 应用范围：量化实景对象、三维信息采集、逆向三维重构、逆向三维建模、空间数据反求、对象逆程设计、预研仿研仿制、虚拟现实应用、正向工程反证、逆向工程实施、概念设计仿真、逆向制图还原、结
16、构特性分析、试验工程仿真、后数据测量、目标形变监测、电脑模拟实战、环境适应仿真、工程力学分析、对抗模拟推演、企业无纸操作、虚拟设计制造、科目效果测试、整合三维资源、创建三维流程、工装工艺规划、改进改造工程、历史资源修复、任务方案优化、对象加载仿真、设施维护维修等。,23,（2）测绘、检测技术 20 世纪 90 年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘、检测领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。 外景测绘,24,25,（3）VRML VRML 是虚拟现实造型语言（Virtual
17、 Reality Modeling Language）的简称，本质上是一种面向 web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML 的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的 VR（虚拟世界）。现在流行于 Internet 的 VRML 技术如果没有足够的三维彩色模型，也只能是无米之炊，而三维扫描技术可提供这些系统所需要的大量的、与现实世界完全一致的三维模型数据。销售商可以利用三维扫描仪和 VRML 技术，将商品的三维彩色模型放在网页上，使顾客通过网络对商品进行直观的、交互式的浏览。想象一下，随着技术的发展
18、，未来的在网络上挑选衣服的时候，用户可以下载商品的三维模型，并“试穿”到自己的三维模型上，这样就可以足不出户的挑选最适合自己的衣服，商家也可以通过这种方式为客户提供个性化的服务。当然这一切的前提是，客户和商家都用三维激光扫描仪扫描了自身和货品，并通过 VRML 建立了三维模型。,26,用VRML制作的法国虚拟巴黎3D场景(可用 鼠标实时3D漫游) 三维建模贴纹理,27,商品可用鼠标作3D旋转和细部观看,28,(4)文物保护 对于文物保护，三维扫描技术能以不损伤物体的手段，获得文物的外形尺寸和表面色彩、纹理，得到三维彩色拷贝。所记录的信息完整全面，而不是像照片那样仅仅是几个侧面的图像，且利用这些
19、信息构建的模型便于长期保存、复制、再现、传输、查阅和交流，使研究者能够在不直接接触文物的情况下，甚至在千里之外，对其进行直观的研究，这些都是传统的照相等手段所无法比拟的。有了这些三维模型，也给文物复制带来很大的便利。 目前，许多国家己将三维激光扫描技术用于文物保护工作。美国斯坦福大学利用三维扫描技术实施“数字化米开朗基罗”项目，计划将文艺复兴时期的这位意大利著名雕塑家的作品数字化。,29,欧洲的四家公司、三所大学、两座博物馆联合实施 Archatour项目，其主要目标是以三维数字技术改进考古、旅游领域中的多媒体系统，而三维扫描重建是其中的关键一环。 英国自然历史博物馆利用三维扫描仪对文物进行扫
20、描，将其立体色彩数字模型送到虚拟现实系统中，建立了虚拟博物馆，令参观者犹如进入了远古时代。 2001年10月，加拿大保护中国文物基金会也向我国文物局捐赠了一套Innovision公司生产的三维激光数字扫描仪，用于对正在建设的三峡水利工程的三峡库区的古建筑、遗址和出土文物进行立体扫描重建，大量记录文物和考古现场。,30,六、应用案例展示,汽车配件,31,对车体各个部分扫描后，利用相关软件将扫描的点云后处理，进行实体建模，并装配组合成完整的汽车模型，极大的提高了测量车体各个部分数据的效率；在此基础上对汽车的功能和外观功能进行改进创新，再投入生产，可以缩短整个设计制造的过程。,32,工业检测 生产线
21、有大量的工件要进行检测（或抽样检测），一般可以先建立一个标准的三维模型图，然后用三维扫描仪得出待测工件的三维数据，配合Qualify、Solidworks等相关检测软件，对工件进行三维测量分析，并生成误差报表，很大程度上提高了工作效率，提高产品的良品率。,鼠标三维模型,对齐偏色差谱图,33,通过远距离扫描高温物体表面进行检测，这是其它检测方法很难做到的。,34,人体、服装 三维激光扫描仪在扫描人体、服装等柔性物体时优越性就体现出来了。由于采用的是非接触式的测量，保证了所测量的物体数据不失真。真正可以做到量体裁衣。,人体扫描点云,人体三维数据,35,36,医学、整形 激光器按其输出大小以及对人体
22、造成的危害程度可分为四个等级，其中第一、二级激光器发出的激光对人体基本没有伤害。据此，拥有此类激光器的三维扫描仪便可直接对人体进行扫描。 例如可对有缺陷的肢体进行扫描，根据扫描的特征，利用计算机模拟合成合适的矫形器或假肢，再投入生产，产品可以最大化的符合患者的要求。,37,三维激光扫描技术的发展趋势,随着光、机、电及计算机等技术的进步，三维激光扫描仪必将向着扫描速度更快、精度更高、更轻便携带的方向发展。加之对所扫描对象没有限制的特性，三维扫描仪必将被应用于更广泛的领域。,38,点云的预处理阶段,减少噪音统一采样数据封装,合并点对象出去非连接项出去体外孤点,39,曲面重构,点处理阶段组合点云光滑
23、数据多边形阶段光滑和编辑多边形模型填补漏洞边界修复重叠三角形清理多边形编辑形状、制作阶段规则化形状调整特征识别特征线提取边界构建,40,逆向工程(RE),一、产生的背景 逆向工程思想是二战之后提出来的，进入九十年代，该技术引起了各国工业界的高度重视。作为一门比较新的技术，凭借其有效的缩短产品开发周期的特性和强大的成本优势，已逐渐被个领域所接受和推广。由于它和传统设计方式相比所具有的多方面优势，在汽车、冲压模具、注塑模具、航空等领域逐渐成为了产品开发的主流方法。,41,二、逆向工程定义,逆向工程(Reverse Engineering，简称RE),也称反求工程，反向工程。起源于精密测量和质量检验
24、，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。在一般工程技术人员的概念中，产品设计过程是一个“从无到有”的过程，即设计人员首先根据用户给定的性能要求确定方案，构思产品的整体外形和结构，然后确定大致的技术参数，再通过各种软件绘制产品的二维或三维CAD模型，最终将这个模型转入到制造流程中，从而完成整个产品的设计制造周期。我们称这样的产品设计过程为“正向设计”过程，它是由未知到已知，由想象到现实的过程。,42,逆向工程的产品设计过程刚好与此相反，是一个“从有到无”的过程。首先从己有的实物或产品样件出发，通过先进的数字测量手段反向获取产品的外形数据，然后利用各种造型软件由点云数据重构出该产品的CAD模型，经
25、过不断的修改后，形成图纸或可快速成形制造的CAD模型，最后转入加工制造或快速成形过程。逆向工程是对己有产品进行分析、改进和再创造的过程，是对已有设计的再设计。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程，是从数据采集、数据处理到常规CAD/CAM系统应用的多系统的融合过程。,43,三、逆向工程的工作流程,44,四、逆向工程的应用,飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发，在产品的空气动力学性能和美学设计显得特别重要的领域。由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经常要对已有的构件做局部修改的领域。在缺乏二维设计图样或原始设计参数情况下，需要将实物零件转化为计算机表达的产品数字化模型，以便充分利用现
26、有的计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）等先进技术，进行产品创新设计。某些大型设备，如航空发动机、气轮机组等，经常因为某一零件的损坏而导致整机停止运行。通过逆向工程技术，可以快速生产这些零部件的替代零件，从而提高设备的利用率并延长使用受命。一些特殊领域，如艺术品、考古文物的复制、医学领域中人体骨骼及关节等的复制、假肢制造等。,45,五、国内外研究现状,在国内的科研领域里，上海交通大学、西安交通大学、华中理工大学、广东省机械研究所、天津大学等科研机构都对逆向工程技术进行了深入地研究。国内的一些专家学者对于逆向工程及形位误差检测的理论与实际应用进行了深入细致地探讨，研究了测量过程中测
27、点的自适应分布、测量路径的优化；提出了基于点的ICP算法，解决了逆向工程中任意多视点云的拼合问题；提出了基于最小二乘法、牛顿迭代法和遗传算法等来解决检测问题中的采样测量点与设计模型的匹配问题；针对有序离散点，提出了二次的曲面重构方法；结合测量数据结构的异同，介绍了各种计算机建模技术，并且指出它们在工程中各自的适用范围。,46,逆向工程测量规划与重建技术领域内的研究，在国外已形成一定规模，并具有相当的深度。一些重要的国际与国内的学术会议都将逆向工程及相关技术讨论作为一个重要的会议专题。1998年全球反求工程技术系统加工中心达到331个，拥有快速成型机660台套，同时有27个快速成型设备制造公司，
28、12个大的材料供应商，15个专业软件公司，再加上从事该项目的51个教育和科研机构以及227个提供赞助的基金会以及大量的激光设备应用者和真空铸造机制造者，形成了一个强大的集成体。在经过了初期50%的高速增长后，世界快速制造业正步入稳定增长期，年增长率保持在17%左右。,47,目前与逆向工程相关的主流软件有： 美国Imageware公司的Surfacer； 美国Raindrop Geomagic公司的Geomagic Studio； DELCAM公司的 CopyCAD； 韩国INUS Technology公司的 Rapidform； PTC公司的ICEMSurf。,48,六、逆向工程的发展趋势,发
29、展面向逆向工程的专用测量系统，使之能高速、高精度地实现实物数字化，并能根据样件几何形状和后续应用选择测量方式及路径，能进行路径规划和自动测量。研究适应不同的测量方法和后续用途的离散数据预处理技术。拟合曲面应能控制曲面的光顺性和进行光滑拼接有效的特征识别和考虑约束的模型重建以及复杂组合曲面的识别和重建方法。发展基于集成的逆向工程技术，包括测量技术、基于特征和集成的模型重建技术，基于网络的协同设计和数字化制造技术等。,49,快速原型(RP),一、快速原型产生的背景 快速原型技术(Rapid Prototyping Technology)是 80 年代后期产生于美国，并迅速扩展到欧洲和日本。由于 R
30、P 技术的成型原理突破了传统加工中的塑性成形（如锻造、冲压、拉伸、铸造、注塑加工等）和切削成形的工艺方法，可以在没有工装夹具或模具的条件下，迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体原型或零件，因此被认为是近二十年来制造技术领域的一次重大突破。,50,二、RP技术的概念,快速成型技术是一种将原型（或零件、部件）的几何形状、结构和所选材料的组合建立数字化模型，之后把这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统进行材料的“添加”加工，通过逐点、逐线、逐面进行材料的三维推砌成型，再经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，实现快速、准确地制造原型或实际零件、部件的现代化方法。,51
31、,快速成型的离散堆积原理,52,53,快速原型的基本工艺过程,54,快速原型的设备处理过程,材料输入,离散堆积设备,零件输出,55,三、快速成型的主要工艺方法,立体印刷(Stereo Lithography ApparatusSLA)分层实体制造(Laminated Object ManufacturingLOM)选择性激光烧结(Selected Laser SinteringSLS)熔融沉积形成(Fused Deposition ModelingFDM)三维打印(Three-Dimensional Printing3D-P)固基光敏液相法(Solid Ground CuringSGC),56
32、,四、快速成型的主要特征,加工柔性高，可以制造出任意复杂的三维几何实体；CAD 模型直接驱动；成型设备无需专用夹具或工具；成形过程中无人干预或较少干预；响应速度快，从实体反求到制成原型一般只要几到几十个小时；节能、环保、绿色制造，能源与原材料的利用率高，噪音小，环境污染少。,57,五、快速成型技术的应用,1、在产品设计中的应用RP原型可直接用于性能测试、模拟装配实验和生产可行性评估；采用RPT进行新产品开发，可减少开发成本30%-50%，减少开发时间50%。,58,2、在医学领域中的应用制作生物体模型；生物假体制造；生物相容不降解永久植入体制造；生物相容降解植入体制造。,59,60,修复病变盆骨,61,3、与美学有关的各工程领域,62,
