光学扫描和CMM测量数据的配准研究

　　0 引言

　　光学扫描系统和三坐标测量机( CMM) 是逆向工程中广泛使用的数字化设备，二者的组合使用满足了逆向工程中对实物数字化的高精度、高效率的应用需求^[1-2]。在组合应用中，通常利用光学扫描系统能够快速获取数据的特点对被测件进行整体扫描，然后利用 CMM 接触式测量方式对一些配合安装面、美化装饰棱边、外形轮廓线面等光学扫描无法满足精度的特征区或盲区( 如深孔、凹槽) 进行测量，在高数字化效率的同时又保证了局部的测量精度。不同测量方式所获得的数据点集的有效配准是影响后期模型重建质量的关键因素。光学扫描数据与 CMM 测量数据的配准虽然也是把数据归一化到一个坐标系的过程，但与传统的多视拼合有着很大的不同，主要有以下两点。

　　1) 要配准的数据点集的密度是不同的。由于接触式和非接触式的测量原理不同，以 CMM 为代表的测量过程主要是按照操作人员的测量意图布点规划，采集的数据稀疏; 而光学扫描一般为全场扫描测量，获得的是密集的点云数据。

　　2) 待配准的点集的精度是不同的^[3]。接触式测量获取点的精度较高，高达 0. 1μm，一般也达到几微米; 非接触式扫描获取的点云精度较低，一般为 10 到100μm。因此，需要配准的点集中不存在对应点，也无法找到能够匹配的内蕴量，这就使很多数据配准方法无法应用，如: 传统的最近点迭代法^[4]( ICP) 、提取点云数据内蕴量^[5-6]₍ 曲率、法矢、矩不变量、球谐函数不变量等) 的多视拼合法等。

　　本文给出一种基于配准工作台的配准方法，并对标准球数据的自动提取和基于球心坐标的配准进行了研究，改进了三点定位算法，通过实验对比了几种配准方法的误差。

　　1 配准工作台的设计

　　因为三点可以确定一个坐标系，所以指定三个点，这三个点在光学扫描和 CMM 测量时都被测量，则根据六个点分别建立坐标系，再通过平移和旋转就可以匹配两个局部坐标系为一个坐标系。但是这种方法的主要问题是坐标系变换精度主要受到上述每个点的测量误差的影响。如果用三个球代替三个点作为参考并与零件( 待测件) 同时测量，以每个球的测量数据所拟合计算出的球心为基准点，则要比单纯的三点对三点配准方法受测量误差影响小很多，因为每一个球心是从一系列的测量数据点中拟合得来的，而不是依靠单一的测量值。基于上述思想，设计了如图 1所示的基于三个坐标球的配准工作台。

　　配准工作台是由一个矩形的台板与三个标准尺寸的坐标球固定在一起形成的几何参考基准( 简称标准球) ，以及一个夹具组成。台板作为基座，均匀分布着螺孔，夹具和标准球可以根据测量需要固定在不同的螺孔处。集成在一起的标准球有利于光学扫描设备和 CMM 快速获取标准球数据。台板的大小和标准球的精度根据实际的零件大小和配准精度决定。