逆向設(shè)計(jì)與3D打印案例教程 課件 3 支架式白光掃描儀、4 Geomagic Studio點(diǎn)云處理軟件教學(xué)、5.手持式白光掃描儀

支架式白光掃描儀一、設(shè)備結(jié)構(gòu)

屬于非接觸光學(xué)掃描儀

關(guān)鍵部分：計(jì)算機(jī)、光柵發(fā)射器、CCD攝像機(jī)、連接線、標(biāo)定塊、標(biāo)志點(diǎn)。掃描頭云臺(tái)三腳架一、設(shè)備結(jié)構(gòu)注意：禁止用利器擊打兩個(gè)CCD相機(jī)鏡頭和光柵發(fā)射器的鏡頭，禁止用手觸摸CCD相機(jī)和光柵發(fā)射器的鏡頭片。

1.設(shè)備主體一、設(shè)備結(jié)構(gòu)2.云臺(tái)1所示為控制云臺(tái)的螺桿，可以調(diào)節(jié)云臺(tái)上下旋轉(zhuǎn)；

2所示為控制云臺(tái)的螺桿，可以調(diào)節(jié)云臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)；3所示為控制云臺(tái)的螺桿，可以調(diào)整云臺(tái)左右旋轉(zhuǎn)；

4所示為固定測(cè)量頭的兩個(gè)螺絲，用來把測(cè)量頭固定到云臺(tái)上。

注：安裝和使用設(shè)備時(shí)一定要把上面所示的三個(gè)螺桿和兩個(gè)螺絲鎖緊，否則設(shè)備固定不緊，容易脫落摔碎。一、設(shè)備結(jié)構(gòu)3.腳架1所示為三腳架的搖桿，可以通過旋轉(zhuǎn)搖桿升降設(shè)備；2所示為三腳架的頂絲，用來鎖死螺桿；3所示為三腳架升降控制鈕，用來控制三腳架內(nèi)接桿的升降。注意：每次調(diào)整好設(shè)備的高度后請(qǐng)把三腳架的頂絲鎖緊，否則在測(cè)量過程中設(shè)備容易晃動(dòng)，而且會(huì)影響中軸的剛性。二、設(shè)備軟件1.工作界面二、設(shè)備軟件操作界面系統(tǒng)名稱和當(dāng)前活動(dòng)窗口包括所有的操作選項(xiàng)提供了操作的快捷方式菜單欄工具欄標(biāo)題欄1.工作界面二、設(shè)備軟件操作界面2.掃描視窗二、設(shè)備軟件操作界面3.菜單欄二、設(shè)備軟件操作界面3.菜單欄新建：結(jié)束當(dāng)前掃描，開始新的掃描。單面掃描模式：此項(xiàng)不可用；標(biāo)志點(diǎn)拼接模式：已完成一面以上掃描才可用；建立框架拼接模式：已完成一面以上掃描才可用。打開：打開已經(jīng)存在的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，打開格式包括OKO、ASC、TGT、CSV格式；二、設(shè)備軟件操作界面用于設(shè)定測(cè)量的模式，可以選擇“單面掃描”、“標(biāo)志點(diǎn)拼接”、“建立框架”三種模式，當(dāng)前的模式呈灰色為不可選。直接拼接：直接利用標(biāo)志點(diǎn)的信息對(duì)拍攝的物體進(jìn)行拼接；面面重合拼接：利用物體多次拍攝重合部分信息對(duì)拍攝物體進(jìn)行拼接。二、設(shè)備軟件操作界面畫框設(shè)定：手動(dòng)在屏幕上畫出測(cè)量范圍；最大區(qū)域：相機(jī)屏幕所顯示的所有范圍都被測(cè)量。預(yù)投光柵：投射光柵在物體上，通過調(diào)整光柵發(fā)射器的焦距使得物體上的光柵最清晰。測(cè)量過程中通過觀察光柵的清晰度來判斷掃描儀到物體的測(cè)量距離是否合適，距離過遠(yuǎn)或過近投的光柵都不清晰。視場(chǎng)中心：投射十字光標(biāo)在物體上，觀察左右鏡頭視窗，使光標(biāo)都在中心位置以確定合適的物距。二、設(shè)備軟件操作界面系統(tǒng)設(shè)置二、設(shè)備軟件操作界面攝像機(jī)控制在默認(rèn)情況下，左攝像機(jī)處于連續(xù)采集模式，此時(shí)可以調(diào)整左攝像機(jī)的參數(shù)。連續(xù)捕獲圖像：左攝像機(jī)處于連續(xù)采集并實(shí)時(shí)顯示模式；停止捕獲圖像：停止當(dāng)前的連續(xù)采集；更新單幀圖像：?jiǎn)螏杉?dāng)前圖像，只有在“停止捕獲圖像”的時(shí)候才可用，用于更新單幀圖像；二、設(shè)備軟件操作界面攝像機(jī)參數(shù)調(diào)整一般情況下曝光時(shí)間設(shè)置為53左右，增益調(diào)節(jié)為11左右；以物件不反光為宜；二、設(shè)備軟件操作界面常用圖標(biāo)注釋三、設(shè)備標(biāo)定1.標(biāo)定塊的作用1攝像機(jī)定標(biāo)是得到三維世界中物體點(diǎn)的三維坐標(biāo)與其圖像上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系的過程。2攝像機(jī)定標(biāo)的精度是決定系統(tǒng)掃描精度的重要因素。3通過拍攝不同位置的圖像，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)定。4采用平面標(biāo)定塊。1.標(biāo)定塊的作用三、設(shè)備標(biāo)定定標(biāo)過程中要使用標(biāo)定塊，如圖所示。三、設(shè)備標(biāo)定三、設(shè)備標(biāo)定定標(biāo)需找出和掃描儀相對(duì)應(yīng)的標(biāo)定板，以保證定標(biāo)精度。注：標(biāo)定板后四位尾數(shù)與掃描儀尾數(shù)一致！三、設(shè)備標(biāo)定1、為了人眼能夠在拍攝圖像上清晰分辨出黑色圓點(diǎn)，可能要通過調(diào)整增益來達(dá)到最好的效果；

2、在每個(gè)位置上要保證能看到四個(gè)大點(diǎn)，其他點(diǎn)可以有看不見的部分，但要盡可能看到更多的點(diǎn)；3、三個(gè)不同的點(diǎn)位置要盡量充滿待測(cè)物體每次掃描區(qū)域可能占據(jù)的空間；4、第一個(gè)位置標(biāo)定塊放置在圖像中看到的結(jié)果是：四個(gè)大點(diǎn)中，共線的三個(gè)大點(diǎn)在另一個(gè)大點(diǎn)的下方。定標(biāo)要求三、設(shè)備標(biāo)定精度在0.02以外系統(tǒng)調(diào)整使用過程中嚴(yán)重震動(dòng)長(zhǎng)途運(yùn)輸需要重新定標(biāo)三、設(shè)備標(biāo)定1、標(biāo)定板（大點(diǎn)向上）放置相機(jī)下方，十字光斑位于中心大圓內(nèi)，調(diào)整相機(jī)角度及高度，盡量使十字中心對(duì)齊；2、旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°，三腳架高度上調(diào)兩圈，使紅十字位于黑十字外；3、同方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°,三腳架高度下調(diào)四圈，使紅十字位于黑十字外；標(biāo)定流程三、設(shè)備標(biāo)定5、同方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°，三腳架高度上調(diào)兩圈，使紅十字位于黑十字外；6、同方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°，三腳架高度下調(diào)四圈，使紅十字位于黑十字外；7、同方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°，調(diào)整相機(jī)左傾角（角度約15~20°)，使十字中心對(duì)齊；8、同方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°，三腳架高度上調(diào)兩圈，使紅十字位于黑十字外；三、設(shè)備標(biāo)定9、同方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°，三腳架高度下調(diào)四圈，使紅十字位于黑十字外；10、同方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°，調(diào)整相機(jī)右傾角（角度約15~20°)，使十字中心對(duì)齊；11、同方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°，三腳架高度上調(diào)兩圈，使紅十字位于黑十字外；12、同方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定板90°，三腳架高度下調(diào)四圈，使紅十字位于黑十字外。四、掃描前準(zhǔn)備工作首先須確保三維掃描儀是建立在一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境中,包括光環(huán)境：避免強(qiáng)光和逆光對(duì)射;三維掃描儀的穩(wěn)固性等，要最大限度地減少環(huán)境破壞，確保三維掃描結(jié)果不會(huì)受到外部因素的影響。1.確保穩(wěn)定的掃描環(huán)境2.掃描儀精度校準(zhǔn)校準(zhǔn)掃描儀時(shí)，應(yīng)根據(jù)掃描對(duì)象調(diào)整設(shè)備系統(tǒng)設(shè)置的三維掃描環(huán)境。正確的相機(jī)設(shè)置會(huì)影響掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此必須確保曝光設(shè)置是正確的。嚴(yán)格按照制造商的說明進(jìn)行校準(zhǔn)工作，仔細(xì)校正不準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)后，可通過用三維掃描儀掃描已知三維數(shù)據(jù)的測(cè)量物體來檢查比對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)掃描儀掃描的精度無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要重新校準(zhǔn)掃描儀。四、掃描前準(zhǔn)備工作3.對(duì)掃描物體表面進(jìn)行處理被測(cè)物體表面的材質(zhì)、色彩及反光透光等都有可能對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，而被測(cè)物體表面的灰塵、切屑等更會(huì)帶來測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲，所以首先要對(duì)掃描件進(jìn)行清洗，對(duì)黑色銹蝕表面、透明表面、反光面做表面處理。

這些物體包括半透明材料(玻璃制品、玉石)，有光澤，或顏色較暗的物體。五、物體表面處理對(duì)于掃描后需要清洗表面的物體，只能使用白色顯像劑。物體最適合進(jìn)行三維光學(xué)掃描的理想表面狀況是亞光白色，因此表面處理的方法是在物體表面噴一薄層白色物質(zhì)，一般可選擇白色的亞光漆、白色顯像劑。五、物體表面處理對(duì)掃描物體噴上薄薄的一層顯像劑，目的是是為了更好的掃描出物體的三維特征，數(shù)據(jù)會(huì)更精確。1.在噴粉時(shí)，要注意在滿足掃描要求的前提下盡可能地薄且均勻，噴粉距離約為30cm左右。顯像劑噴灑過多，會(huì)造成物體厚度疊加，對(duì)掃描精度造成影響。2.顯像劑不會(huì)對(duì)物體表面及人體造成損害，掃描完成后用清水洗掉即可。3.應(yīng)給被掃描工件準(zhǔn)備一個(gè)顏色較暗的背景，最好是黑色（掃描系統(tǒng)對(duì)黑色表面不生成任何數(shù)據(jù)），這樣可以減少背景掃描數(shù)據(jù)，增加有效掃描數(shù)據(jù)的比重。六、掃描策略制定在對(duì)被掃描工件進(jìn)行掃描時(shí)，需要經(jīng)過多角度、多范圍的多次掃描，才能完成對(duì)被掃描工件的完整掃描。注意：掃描系統(tǒng)要求在本次掃描中，至少能攝取到4個(gè)在之前掃描時(shí)提取出的標(biāo)志點(diǎn)。同時(shí)要求這4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)盡可能不共線，且不對(duì)稱（例如其中3個(gè)不能構(gòu)成等邊或等腰三角形）。采用標(biāo)志點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)多次掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)一（掃描系統(tǒng)會(huì)精確、自動(dòng)地提取標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)），即將每次生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)均統(tǒng)一到公共坐標(biāo)系，從而完成點(diǎn)云的自動(dòng)拼接。掃描策略對(duì)于整個(gè)掃描項(xiàng)目是非常重要的，因此在掃描之前就應(yīng)該進(jìn)行制定。六、掃描策略制定根據(jù)待測(cè)物體選擇測(cè)量模式，在菜單“參數(shù)設(shè)定”選擇“測(cè)量模式設(shè)定”，可選擇“單面掃描”、“標(biāo)志點(diǎn)拼接”、“建立框架”三種模式；1、單面掃描：對(duì)一些物體的測(cè)量，只要拍攝一面就能得到所需的數(shù)據(jù)，此時(shí)需要使用單面掃描操作。2、標(biāo)志點(diǎn)拼接：一些較大的物體一次不能測(cè)完全部數(shù)據(jù)，可通過貼標(biāo)志點(diǎn)，利用標(biāo)志點(diǎn)拼接方式完成。3、建立框架拼接

：測(cè)量一些大物體時(shí)，由于積累誤差使最后的測(cè)量誤差偏大，為了控制整體誤差，測(cè)量大物體時(shí)先建立框架再進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)拼接測(cè)量。掃描方式六、掃描策略制定針對(duì)一個(gè)被掃描工件，首先根據(jù)其大小、形狀、復(fù)雜程度判斷大致需要掃描的次數(shù)，以及掃描的次序。下面分三種情況予以介紹：策略一：被掃描工件大小在掃描系統(tǒng)單面掃描范圍內(nèi)。

在這種情況下，只需考慮按照一個(gè)合適的掃描次序，保證本次掃描與之前掃描提取出的標(biāo)志點(diǎn)均有至少4個(gè)公共點(diǎn)即可。掃描策略六、掃描策略制定策略二：被掃描工件大小超出掃描系統(tǒng)的單面掃描范圍，但不超過2倍（如超出2倍以上，則需與三維攝影掃描系統(tǒng)配套使用）在這種情況下，第一次掃描應(yīng)從可得到最多標(biāo)志點(diǎn)的工件中部開始。

上述兩個(gè)策略中，標(biāo)志點(diǎn)均粘貼在工件表面上。這兩個(gè)策略的優(yōu)點(diǎn)是被掃描工件可以隨意移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，但帶來的缺點(diǎn)是粘貼標(biāo)志點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生較多的環(huán)狀空洞（因標(biāo)志點(diǎn)外圍是黑色的，掃描系統(tǒng)將不會(huì)產(chǎn)生掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)）。六、掃描策略制定在實(shí)際掃描中，如果工件不易搬動(dòng)，我們也可以使用輔助裝置。如將被掃描工件放置在轉(zhuǎn)臺(tái)裝置上。策略三：標(biāo)志點(diǎn)可以粘貼在被掃描工件周圍的轉(zhuǎn)臺(tái)表面上，這種粘貼方案可以有效減少工件表面的標(biāo)志點(diǎn)數(shù)量，使掃描數(shù)據(jù)盡可能少地產(chǎn)生空洞。但這種策略不允許被掃描工件與轉(zhuǎn)臺(tái)有任何的相對(duì)位移，否則會(huì)造成拼接誤差增大，甚至導(dǎo)致掃描項(xiàng)目失敗。七、標(biāo)志點(diǎn)粘貼注意事項(xiàng)（1）標(biāo)志點(diǎn)盡量粘貼在平面區(qū)域或者曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠(yuǎn)一些；（2）標(biāo)志點(diǎn)不要粘貼在一條直線上，且不要對(duì)稱粘貼；標(biāo)志點(diǎn)粘貼在特征上，影響特征采集標(biāo)志點(diǎn)粘貼成一條直線或?qū)ΨQ不利于特征的采集，而且貼點(diǎn)過多。七、標(biāo)志點(diǎn)粘貼注意事項(xiàng)（3）公共標(biāo)志點(diǎn)至少為4個(gè)，但因掃描角度等原因，一般建議5-7個(gè)為宜；標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)使相機(jī)在盡可能多的角度可以同時(shí)看到；標(biāo)志點(diǎn)過少，無法采集特征曲面標(biāo)志點(diǎn)粘貼、分布較合理（4)粘貼標(biāo)志點(diǎn)要保證掃描策略的順利實(shí)施，根據(jù)工件的長(zhǎng)、寬、高合理分布粘貼；（5）標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)使相機(jī)在盡可能多的角度可以同時(shí)看到。八、掃描注意事項(xiàng)1.掃描過程中避免掃描系統(tǒng)震動(dòng)，同時(shí)被掃描工件也須是靜止?fàn)顟B(tài)；2.掃描時(shí)外部環(huán)境光線不要太強(qiáng)，暗室操作效果更佳；3.深色或反光的工件要噴顯像劑進(jìn)行掃描；4.對(duì)于容易變形的工件，可以通過云臺(tái)移動(dòng)掃描頭或移動(dòng)掃描系統(tǒng)進(jìn)行掃描；5.掃描時(shí)十字盡量投在被掃描工件上；6.掃描時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要可通過云臺(tái)確定掃描頭的位置或角度；7.掃描系統(tǒng)具有仿生學(xué)視覺特點(diǎn)，為順利完成掃描工作，掃描人員可以站在掃描頭的位置判斷能否看到需要提取的標(biāo)志點(diǎn)，若不能請(qǐng)及時(shí)調(diào)整被掃描工件的擺放角度。GeomagicStudio點(diǎn)云處理軟件教學(xué)一、軟件簡(jiǎn)介GeomagicStudio由美國(guó)Raindrop(雨滴)公司出品，2013年被3DSystems收購，擁有強(qiáng)大的點(diǎn)云處理能力，能夠輕易的從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換城NURBS曲面，可直接用于3D打印、制造、藝術(shù)和工業(yè)設(shè)計(jì)等方面。

該軟件是除Imageware之外應(yīng)用最為廣泛的逆向工程軟件，是目前市面上進(jìn)行點(diǎn)云處理與三維曲面構(gòu)建功能最強(qiáng)大的軟件。（1）建模時(shí)采用點(diǎn)云三角網(wǎng)格面曲面的方式；（2）軟件功能操作便捷，易學(xué)易用；（3）具有自動(dòng)擬合曲面功能，對(duì)玩具、工藝類工件等自由曲面優(yōu)勢(shì)較大。二、軟件界面三、鼠標(biāo)應(yīng)用左鍵在圖形區(qū)域的活動(dòng)對(duì)象上選擇區(qū)域。CTRL+左鍵取消選擇區(qū)域ALT+左鍵

移動(dòng)光源

SHIFT+左鍵

激活模型(當(dāng)同時(shí)處理幾個(gè)模型時(shí))滾輪或中鍵縮放CTRL+中鍵設(shè)置多個(gè)激活模型。(必須是同樣的數(shù)據(jù)類型)ALT+中鍵平移SHIFT+CTRL+中鍵

在當(dāng)前平面上移動(dòng)模型右鍵

單擊獲得快捷菜單CTRL+右鍵旋轉(zhuǎn)ALT+右鍵平移

SHIFT+右鍵

縮放四、主要功能GeomagicStudio軟件提供了六大數(shù)據(jù)模塊，包括基礎(chǔ)模塊、點(diǎn)處理模塊、多邊形處理模塊、形狀模塊、Fashion模塊、參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。（1)基礎(chǔ)模塊主要作用是提供基礎(chǔ)操作環(huán)境，包括文件保存、顯示控制、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。（2)點(diǎn)處理模塊A優(yōu)化掃描數(shù)據(jù)（去除體外孤點(diǎn)、減少噪音等）B拼接多個(gè)掃描數(shù)據(jù)；C降低數(shù)據(jù)密度；D將掃描數(shù)據(jù)封裝城三角面片。四、主要功能（3)多邊形處理模塊A清除、刪除釘狀物，減少噪點(diǎn)光順三角網(wǎng)格；B簡(jiǎn)化三角面片數(shù)目；C自動(dòng)填充模型中的孔，并清楚不必要的特征；D加厚、抽殼、偏移三角網(wǎng)格；E創(chuàng)建、編輯邊界。（4)精確曲面A自動(dòng)擬合曲面；B編輯處理輪廓線；C構(gòu)建曲面片，并對(duì)曲面片進(jìn)行移動(dòng)、松弛等處理；五、工作流程六、數(shù)據(jù)處理要求第一階段：點(diǎn)云階段(1)去掉掃描過程中產(chǎn)生的雜點(diǎn)、噪音點(diǎn)；(2)將點(diǎn)云文件三角面片化（封裝），保存為STL文件格式。第二階段：多邊形階段(1)將封裝后的三角面片數(shù)據(jù)處理光順、完整；(2)保持?jǐn)?shù)據(jù)的原始特征。七、常用命令為了更加清晰、方便的觀察點(diǎn)云的形狀，將點(diǎn)云進(jìn)行著色。選擇斷開組件連接：指同一物體上具有一定數(shù)量的點(diǎn)形成點(diǎn)群，并且彼此間分離。選擇體外弧點(diǎn)：選擇與其它絕大數(shù)的點(diǎn)云具有一定距離的點(diǎn)。（敏感性：低數(shù)值選擇遠(yuǎn)距離點(diǎn)，高數(shù)值選擇的范圍接近真實(shí)數(shù)據(jù)。）減少噪音：因?yàn)槟嫦蛟O(shè)備與掃描方法的緣故，掃描數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)差和隨機(jī)誤差，其中有一些掃描點(diǎn)的誤差比較大，超出我們?cè)试S的范圍，這就是噪聲點(diǎn)。封裝：對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三角面片化。七、常用命令第二階段：多邊形階段主要操作命令填充孔：修補(bǔ)因?yàn)辄c(diǎn)云缺失而造成漏洞，可根據(jù)曲率趨勢(shì)補(bǔ)好漏洞。去除特征：先選擇有特征的位置，應(yīng)用該命令可以去除特征，并將該區(qū)域與其它部位形成光滑的連續(xù)狀態(tài)。網(wǎng)格醫(yī)生：集成了刪除釘狀物，補(bǔ)洞、去除特征、開流形等功能，對(duì)于簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)能夠快速處理完成。手持式白光掃描儀一、設(shè)備簡(jiǎn)介序號(hào)名稱1安裝程序2電源適配器3USB線纜4定位標(biāo)點(diǎn)5GOSCAN一、設(shè)備簡(jiǎn)介一、設(shè)備簡(jiǎn)介序號(hào)

名稱1上CCD2環(huán)形燈3LED白光投影儀

4下CCD5彩色相機(jī)6觸發(fā)器一、設(shè)備簡(jiǎn)介系統(tǒng)連接將電源連接到USB電纜。

2.將USB數(shù)據(jù)線插入計(jì)算機(jī)的USB3.0端口。3.接通電源電源。4.在數(shù)據(jù)線最末端，將USB數(shù)據(jù)線接