王克权 戴鹏飞 滕道祥 张 宁 张 腾 苗永康
（徐州工程学院，江苏 徐州 221111）
【摘 要】介绍了一种体积测量仪，该测量仪可以在不接触被测物体的情况下测量物体的体积。该测量仪首先对物体进行四次激光扫描获得物体的点云数据，然后由计算机根据点云数据重建物体的三维模型，最后，由三维模型计算物体体积。
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关键词 激光扫描；三维重建；体积测量
０ 前言
体积测量是生产、科研中常用的技术手段。对于规则物体，如长方体，圆柱体，球等可以直接测量和计算。对于不规则的物体无法直接通过直接测量来计算体积。通常通过间接的方法来测量，如基于阿基米德原理的排水法等。但是，对于容易损坏、具有吸水性或易与水发生化学反应的有毒有害物体，不能够应用排水法来测量体积。
本文所述的测量仪是基于逆向工程的一种体积测量方法，该方法通过三维激光扫描技术重建物体的三维模型。三维激光扫描技术具有速度快，非接触性，实时性精度高，自动化等特性[1]。本文介绍的体积测量仪可以在不接触被测物体的情况下，通过重建被测物体的三维模型，间接的来测量被测物体的体积。本文着重介绍了用于物体三维重建的点云数据的获取，物体的三维重建和体积计算可以直接由软件完成。
1 系统原理
系统框图如图1所示，物体体积计算共需三步。首先，控制激光器对物体的四个面进行扫描，获取物体的三维点云数据；然后，计算机根据扫描得到的三维点云数据重建物体的三维模型；最后，再由计算机根据重建的三维模型计算物体的体积。
本文使用的激光扫描系统是基于结构光法[2]，将一字形的激光照射到被测物体上形成光条纹，再由摄像头获取图像信息，然后用软件提取图像中的光条纹信息，并对条纹中心进行提取，由此得到物体一个面的三维点云数据。使物体顺时针旋转90°并再次扫描，获得物体第二个面的三维点云数据。重复上述步骤，直至获得物体四个面的三维点云数据。
接下来用获得的三维点云数据重建物体的三维模型。运用DAVID软件由摄像头传送的图像信息获取三维点云信息，并实现物体的三维模型重建。DAVID是一种低成本桌面式三维激光扫描系统，其系统核心是处理软件。
最后，运用Rhino软件根据重建的三维模型，计算物体的体积。
2 系统实现
2.1 点云数据获取
点云数据的获取是通过摄像头将激光扫描的图像实时发送至计算机，由计算机对图像进行处理获得物体的三维点云数据。为了从二维的图像中获得物体的三维点云数据，首先要对摄像头进行标定，摄像机的标定是研究二维图像上的点与空间物体表面对应的某点的三维几何位置的对应关系[3]，摄像头的标定可以由DAVID软件完成，获得的标定参数用于求解三维点云数据。
标定完成之后，根据获得的标定参数运用激光三角法求解三维点云数据[4]。通过控制旋转台和激光器的运动来实现对物体四个面的扫描。
图像采集时，首先，按下扫描按键，MCU微处理器接收到命令后控制激光扫描模块对物体进行扫描，摄像头采集扫描信息，并将信息实时发送给计算机。然后，按下旋转按键，MCU微处理器接收到命令后控制旋转台顺时针旋转90°，接下来重复上述步骤，直至激光器对被测物体进行四次扫描。并由摄像头将四次扫描的图像信息实时发送给计算机。
２.2 物体的三维重建与体积计算
计算机根据送至的图像数据，使用DAVID软件对图像信息进行处理，获得物体的三维重建模型，如图2所示，左侧为被测物体，右侧为三维重建模型。
最后根据重建的三维模型，使用Rhino软件求出模型的体积，从而间接求得被测物体的体积。
3 测量结果
接下来使用该体积测量仪和排水法分别测量被测物体的体积，结果见表1。V1为排水法测得的物体体积，V2为测量仪测得的物体体积。
从图3可知，该测量仪的测量值均略大于排水法的测量值，主要原因是测试仪器为手工制作，制作精度较差，导致误差较大。从图4可知，总体上随着被测物体体积的增加，相对误差逐渐减小。
4 结论
本文介绍了一种不易接触物体的体积测量仪，该测量仪能够精确测量不易接触物体的体积。使用该仪可以防止在测量过程中损坏被测物体。
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参考文献
［１］毕银丽,齐礼帅,陈书琳,等.基于点云数据的株冠体积测量方法[J].科技导报,2013,31(27):31-36. DOI:10.3981/j.issn.1000-7857.2013.27.004.
［２］任卿,刁常宇,鲁东明,等.基于结构光的文物三维重建[J].敦煌研究,2005(5):102-106. DOI:10.3969/j.issn.1000-4106.2005.05.022.
［３］付培.低成本三维激光扫描仪系统关键技术研究[D].哈尔滨工业大学,2010.
［４］邢冀川,罗小红.利用激光三角法测量货车车厢体积[J].红外与激光工程,2012,41(11):3083-3087. DOI:10.3969/j.issn.1007-2276.2012.11.042.
［责任编辑：邓丽丽］