摘 要

3D扫描作为一种集光、机、电于一体的高新三维重建手段，以其速度快，精度高的特性在医学、工程、设计等各个领域得到了广泛应用。它又是一种非接触式的测量方式，因此能实现无损检测以及一些特殊环境下的测量，是逆向工程中一种十分重要的测量方法。本文通过对3D扫描仪原理的学习和理解，自主设计并搭建了3D扫描系统的实验平台及原理验证平台，最后实现了3D扫描的基本功能。

本文主要研究了3D扫描系统实现过程中的关键步骤的原理及意义，并选择、制定出了系统实现的整体方案，其中的主要工作如下：

在3D打印技术的支持下搭建了扫描系统实验平台；摄像机标定过程中，将MATLAB的实验结果与Halcon中的标定结果进行了对比分析；自主设计的验证实验中，对三角测量法的原理进行了定量的验证分析并由此检验了标定结果的可靠性；实物扫描实验的过程，由简入深地对不同类型的扫描件进行了形貌扫描，最后得到了预期的扫描结果，实现了3D扫描系统的基本功能。

研究结果表明：相比于其他种类的扫描系统，线结构光扫描更易实现且扫描速度更快，但由于影响其精度的因素很多，本文虽然对其中一些影响因子进行了分析，但仍需要更多跟进实验进行研究；本文设计的验证实验对于检验扫描系统原理及标定结果的可靠性有很好的效果；本文扫描系统的扫描结果精度依然不够理想，理想的扫描系统所需要的开发周期还很长。

关键词：3D扫描；摄像机标定；验证实验

Abstract

3D scanning, as a High-tech three-dimensional reconstruction means which sets light, machine, electricity in one, have been widely used in medical, engineering, design and other fields resulting of its fast, high precision characteristics. Furthermore, it’s a kind of non-contact measurement method, thus it makes the nondestructive testing and the measurement in the special conditions possible. It’s also an important measurement method in Reverse Engineering. This thesis designed a 3D scanning system as well as a theory-verifying platform basing on the study of the principles of each part. Finally, we realized the function of a scanning system.

This thesis mainly studied the principles and significance of the key steps in the realization of 3D scanning system. After that, we chose and developed the overall scheme of system realization. Following shows the main works we have done.

With the help of the 3D printer, we set up a scanning system experimental platform. In the process of camera calibration, we contrasted the result given by MATLAB with that given by HALCON, then we came to an answer. In the self-designed verification experiment, we verified the principle of the triangulation method quantitatively and thus verified the reliability of the calibration results as well.

As the result shows, compared with other types of scanning systems, the structured line scanning system is easier to implement and has a higher speed of scanning. But as a result of the many factors that affect its accuracy, although some of them have been analyzed in this thesis, more follow-up experiments are needed. In this thesis, the verification experiment designed to test the principle of the scanning system and the reliability of the calibration results has been proved to have a very good performance, but the precision of our scanning system is still unsatisfactory, and the development of the ideal scanning system still need a long time to work.

Key Words：3D scanning；camera calibration；verification experiment

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 3

第2章 线结构光3D扫描系统设计 5

2.1 结构光扫描原理 5

2.1.1 飞行时间法 5

2.1.2 三角测量法 6

2.1.3 相位测量法 7

2.2 图像处理方法 7

2.2.1 滤波去噪 7

2.2.2 二值化 8

2.2.3 中心线提取 8

2.3 点云拼接方法 9

2.4 三维重建方法 9

2.5 硬件组成 10

2.5.1 转台 10

2.5.2 激光器 12

2.5.3 摄像机及镜头 13

2.5.4 电路控制 13

第3章 线结构光3D扫描系统数学计算 15

3.1 扫描系统数学模型建立 15

3.1.1 坐标系构成 15

3.1.2 摄像机数学模型 17

3.1.3 线结构光数学模型 18

3.2 光平面方程计算 18

3.3 点深度计算 19

第4章 摄像机标定方案 21

4.1 标定板选择 21

4.2 标定流程 22

4.3 标定结果 23

4.3.1 MATLAB标定结果 23

4.3.2 HALCON标定结果 25

第5章 实验的设计与实现 27

5.1验证实验 27

5.1.1 验证实验平台 27

5.1.2 实验数据和结果 28

5.2 实物扫描实验 30

5.2.1系统展示 30

5.2.2 实验流程 32

5.2.3 实验结果及分析 33

第6章 总结与展望 36

6.1 全文总结 36

6.2 误差分析 36

6.3 经济性与环境影响分析 36

6.4 对后期研究的展望 37

参考文献 38

致 谢 40

2. 绪论

1.1 研究背景

3D扫描技术属于三维测量技术的一种。三维测量技术从根本上可以分为接触式和非接触式^[1]。最早的三维测量设备是接触式，其代表是三坐标测量机^[2]。虽然精度高，不过体积大，造价昂贵，且无法测量柔软物体，发展存在较大限制，而后出现了非接触式三维测量手段。非接触测量可以利用声学、光学、电磁学等原理来实现，利用光学原理的三维测量技术也被叫做3D扫描。

3D扫描系统可分为被动式和主动式两类。被动式3D扫描系统不需要特定光源，借助环境光完成扫描，不过精度过低，无法满足很多领域的要求；主动式3D扫描系统则使用特定光源投向测量物体，然后采集画面信息，通过解码画面中经过调制的光信息，获得物体表面的空间数据。在现有的研究中，应用最为广泛的应属主动式3D扫描系统，而其中基于线结构光以及光栅投影等技术的3D扫描系统研究更是成为了国内外学者们研究的重点。

3D扫描技术是一项融光电子学，图像处理、计算机科技、机械等技术为一体的现代测量技术^[3]，是三维重建方法的一种。它通过将摄像机获取到的物体的二维图像进行处理分析，最终在计算机中完成物体3D模型的重建，可以说，它是3D打印的逆过程。它也是三维反求工程、逆向工程的重要组成部分，是目前信息光学前沿的主要研究领域之一。