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三维激光扫描仪是如何工作的(原理)

发布时间:2018-12-28
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常用的三维扫描仪按光源通常可分为激光技术与结构光技术,之前为大家介绍过3D扫描仪采用3D结构光技术实现扫描,今天为大家科普一下三维激光扫描仪怎么实现三维扫描的。

三维激光扫描仪如何工作?

在最基本的层面上,激光扫描涉及激光束的受控转向和距离测量的组合。 旋转编码器通过调整多个扫描镜来控制扫描运动以引导光束。

将激光束定位在二维上需要沿两个轴旋转单个镜子,或者为了更快的扫描,将光束反射到安装在正交轴上的两个紧密间隔的镜子上。 激光器也可以通过称为聚焦或Z移位器的伺服控制透镜系统以三维方式定位。

单次扫描通常不足以产生受试者的完整模型,因此必须通过称为对齐或配准的过程将多次扫描结合到一个共同的参考系统中。

飞行时间

激光扫描的核心概念之一是飞行时间。 这指的是使用激光测距仪来计时从扫描仪传播到物体并再次返回的光脉冲的往返。

由于光速是已知常数,因此可以通过测量光脉冲返回扫描仪所花费的时间来计算扫描仪和物体之间的距离。 因此,基于飞行时间计算距离的公式很简单:

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因此,飞行时间传感器的精度取决于激光扫描仪计时器的精度。

该技术的主要优点是其远距离能力,这就是为什么一些飞行时间扫描仪用于大规模测量项目的原因。 然而,准确地测量数量与光脉冲在质量实验室中进行往返所花费的时间一样微不足道是困难的。 这就是为什么单独的飞行传感器不足以满足需要高精度测量的应用的原因。

三角

许多手持式扫描仪使用三角测量来抵消飞行时间测量所带来的精度降低。

例如,手持式激光扫描仪通常包含跟踪投射到扫描对象上的激光点的相机。 这使得扫描仪能够比单独使用飞行时间测量更精确地三角测量对象的距离。 然而,尽管三角测量能够实现更高的精度,但它也限制了扫描仪的有效范围。

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点云和注册

在最基本的术语中,点云指的是坐标系中的一组数据点。

在标准笛卡尔坐标系中,点是根据X,Y和Z坐标定义的。 在3D扫描的上下文中,点云表示扫描的结果为非结构化三维数据。

点云的典型文件格式是TXT,IGS和ASCII

然后将点云数据引入公共参考系统,其中数据通过对齐或注册过程合并为完整模型。 该过程可以在扫描本身期间(在高端3D扫描仪的情况下)或作为后处理步骤发生。

可以使用软件进一步处理得到的数据,以清除像差或填充数据点中的间隙,创建三角形网格或多边形模型,并导出为STL(Stereolithography或标准细分语言)文件或转换为非均匀合理B-Spline(NURBS)用于CAD模型。

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