逆向扫描与三维建模实训指导书XXX学院XX系2018年5月任务一：三坐标扫描仪与扫描系统的认识一、实验目的1、了解并熟练掌握三坐标扫描仪的使用方法和测量原理；2、熟练使用WIN3DD扫描系统进行模型扫描以及简单点云处理；3、掌握扫描仪安装调试方法以及标定方法；二、实验设备1、WIN3DD三维扫描仪；2、WIN3DD三维扫描系统；三、实验内容及步骤1、认识三维扫描仪的硬件组成WIN3DD三维扫描仪主要包括扫描头、云台和三脚架。
该款扫描仪为单目式，故扫描头包括一个工业相机和一个光栅投影器镜头。
如图所示：Win3DD硬件系统结构扫描头云台及三脚架作为扫描头的安装固定装置，主要用于测量过程中对扫描头调整和定位。
使用方法如下：1、调整云台旋钮可使扫描头进行多角度转向；2、调整三脚架旋钮可对扫描头高低进行调整；3云台及三脚架在角度﹑高低调整结束后，一定要将各方向的螺钉锁紧，否则可能会由于固定不紧造成扫描头内部器件发生碰撞，导致硬件系统损坏；云台及三脚架2、标定过程简述相机参数标定是整个扫描系统精度的基础，因此扫描系统在安装完成后，必须进行标定，操作方法如下：○1打开WIN3DD扫描系统，点击“扫描标定切换”选项，将系统工作界面调至标定界面；○2取出标定板,放至扫描仪扫描区域；○3调整相机参数，通过“调整相机参数”对话框中的曝光，增益与对比度来调整亮度，并观察相机实时显示区，得到满意的图像质量；○4调整扫描距离，在打开标定界面时，相机实时显示区会显示一个白色“十字”将相机实时显示区划分为两个同样面积的区域（如图所示）。
这时光栅投射器会投出一个黑色的“十字”，这样会在同一个区出现两个十字叉。
将标定板放置在视场中央，通过调整硬件系统的高度以及俯视角，使两个十字叉可能重合；○5调整标定板：根据界面左上角的标定指示操作，开始标定。
注意：每一步骤中，都需观察左侧标志点提取显示区，使板上的99个点均处于视场内，且至少88个点提取成功（提取成功的点呈现绿色）才能进行标定操作；○6根据软件步骤提示，一步步进行标定，直到显示标定完成为止。
若标定过程出现问题或者标定不成功，可点击“重新标定”选项，并根据系统提示进行重新标定；3、WIN3DD扫描系统的操作○1操作界面点云操作-工具栏扫描管理-工具栏○2常用操作命令使用说明扫描操作：用于单帧工件扫描。
扫描标定切换：主要用于扫描视图与标定视图的相互转换。
相机曝光：用于对相机的曝光进行调节。
视图切换：分别对视图进行多方位显示，即分别获得从这6个方位观察三维点云数据的视觉效果。
区域放大：对所选矩形区域的数据进行放大显示，便于观察。
旋转：对三维场景中的三维点云进行旋转，便于从各个角度观察。
平移：对三维场景中的三维点云进行平移，在放大点云观看其某个部分的时候，这一命令能常被用到。
矩形选择：在三维场景中，任意构成闭合的矩形。
在该矩形区域中的三维点云数据将会全部被选择。
取消选择：与相关选择工具配合使用。
撤销全部已选择数据，即全部不选。
四、实验注意事项1、使用扫描仪时，应注意：避免扫描系统发生碰撞，造成不必要的硬件系统损坏或影响扫描数据质量；2、禁止碰触相机镜头和光栅投射器镜头；3、扫描头扶手仅在用于云台对扫描头做上下、水平、左右调整时使用。
严禁在搬运扫描头时使用此扶手；4、系统标定时标定板应轻拿轻放，取放时应戴白手套，避免弄脏；5、开机是应先打开扫描仪开关，后打开WIN3DD扫描系统。
关机时首先关闭WIN3DD软件系统，后双击扫描仪上面的开关按钮，关闭扫描仪；任务二：逆向工程技术软件的认知一、实验目的1、熟悉专用逆向工程技术软件Geomagic Studio以及Geomagic Design 的主要功能、应用界面；2、了解并掌握扫描数据的点云操作、面片处理以及逆向建模流程，模型数据的导入、输出的方式、方法以及每一步输出格式；二、实验设备1、计算机一台；2、WIN3DD扫描系统以及逆向工程技术软件Geomagic Studio、Geomagic Design三、实验内容及步骤1、新建扫描工程项目具体操作方法：○1连接好扫描仪后，双击打开WIN3DD扫描系统；○2点击左上方“新建工程”选项，系统弹出新建工程视图窗口；○3选择拼合扫描，设置工程目录和工程名称，点击确认，即可开始扫描；2、保存输出扫描完成后的点云数据具体操作方法：○1数据扫描完成后，点击保存；○2系统弹出文件保存目录窗口，选择保存位置，设置文件名称；○3点击保存类型，选择“acs”或者“txt”类型文件，点击确认，文件保存成功；3、导入扫描完成后的点云数据到Geomagic Studio中进行点云封装处理具体操作方法：○1双击打开Geomagic Studio软件，系统弹出如图所示界面向导；○2点击导入，系统弹出选择文件窗口；○3找到需要处理的文件位置，点击打开，系统即可导入“acs”或“txt”格式点云数据文件；4、保存输出封装后的模型文件具体操作方法：○1模型封装处理完成后，点击“保存”系统弹出如下图对话框；○2选择文件保存位置，将保存类型设置为“stl”，文件保存成功；5、导入stl格式模型文件到Geomagic Design中进行逆向建模具体操作方法：○1双击打开Geomagic Design软件，系统弹出如图所示界面向导；○2点击导入，系统弹出选择文件窗口；○3找到需要逆向建模的文件位置，点击打开，系统即可导入stl格式数据文件；6、逆向建模实体模型的输出与保存具体操作方法：○1若保存Geomagic Design格式文件，可直接点击菜单，保存，选择保存位置，即可保存xrl格式文件，方便下次打开编辑；○2若保存stp格式，可点击输出，选择保存类型为stp，选择实体模型，选择保存位置，点击确认即可；○3若需保存其他三三维建模软件格式，可点击菜单栏上方相应软件图标，选择传输模式，即可按照要求保存；五、实验注意事项1、无论是导入模型数据文件还是输出模型数据文件，都应该注意选择文件类型，保存正确的文件格式，方便下一步的操作2、注意“导入文件”与“打开文件”的区别，导入文件即为导入原始未处理的文件进行数据处理与建模，打开文件为打开相应操作软件格式下的文件；任务三：模型点云数据采集一、实验目的1、通过三维扫描仪对产品进行扫描，独立完成对模型的外观点云数据采集,得到模型的外观点云数据；2、熟练了解模型扫描拼接原理，了解并掌握不同类型模型的相应扫描方法；二、实验设备1、WIN3DD三维扫描仪；2、WIN3DD扫描系统；3、转盘、显像剂、标志点、垫块、橡皮泥等辅助物品；a显像剂b标记点c垫块d 垫布e旋转盘扫描时常用器具三、实验内容及步骤（一）模型前期喷粉贴点处理——以汽车后视镜为例1、喷粉有些物体表面扫描是比较困难的。
例如半透明材料（玻璃制品、玉石），有光泽，或颜色较暗的物体。
对于这些物体需要使用哑光白色显像剂覆盖被扫描物体表面，对扫描物体喷上薄薄的一层显像剂，目的是为了更好的扫描出物体的三维特征，数据会更精确。
需要注意的是，显像剂喷洒过多，会造成物体厚度叠加，对扫描精度造成影响。
2、粘贴标志点喷粉后，为了使扫描数据自动拼接为一个整体，需要在工件表面粘贴标志点。
标志点粘贴方法如下：1、标志点要尽量贴在工件的平面区域或曲率较小的曲面，且距离工件边界较远一些；2、标志点不要贴在一条直线上，尽量要不对称粘贴；3、公共标志点至少为3个，由于图像质量、扫描角度等多方面原因，有些标志点不能正确识别，因而建议用尽可能多的标志点，建议一般在5～7个为宜；4、标志点应使相机在尽可能多的角度可以同时看到；5、粘贴的标志点要保证扫描策略的顺利实施，并使标志点在长度、宽度、高度方向均应合理分布；6、对于部分结构复杂，无法粘贴标志点的物体，可以将标志点粘贴至转盘上，接住转盘进行扫描；（二）模型点云数据采集（扫描）1、在WIN3DD扫描系统中新建工程项目（参照任务二）；2、将模型放至转盘上，利用橡皮泥、垫块等辅助支撑物体选择合适的角度进行拼接扫描；扫描系统要求在本次扫描中，至少能摄取到3个在之前扫描时提取出的标志点。
同时要求这3个标志点尽可能不共线，且不对称(其中3个不能构成等边或等腰三角形)；扫描策略对于整个扫描项目是非常重要的，因此在扫描之前就应该进行制定。
针对一个被扫描工件，首先根据其大小、形状、复杂程度判断大致需要扫描的次数，以及扫描的次序；下面分三种情况予以介绍：策略一：被扫描工件大小在扫描系统单帧扫描范围内。
在这种情况下，只需考虑按照一个合适的扫描次序，保证本次扫描与之前扫描提出的标志点均有至少3个公共点即可。
策略二：被扫描工件大小超出扫描系统的单帧扫描范围，但不超过2倍（超出2倍以上，则需与三位摄影扫描系统配套使用）在这种情况下，第一次扫描应从可得到最多标志点的工件中部开始。
策略三：上述两个策略中，标志点均粘贴在工件上，这两个策略的优点是被扫描工件可以随意移动或转动，但带来的缺点是粘贴标志点时粘贴标志处会产生较多的环形空洞（因为标志点外围是黑色，扫描系统将不会产生扫描数据点）。
然而，在实际扫描中，如果工件不易搬动，我们也可以使用辅助装置。
例如将被扫描工件放置在转台装置上。
标志点可以粘贴在被扫描工件周围的转台表面上，这种粘贴方法可以有效减少工件表面的标志点数量，使扫描数据尽可能少地产生空洞。
但这种策略不允许被扫描工件与转台有任何的相位位移，否则会造成拼接误差增大，甚至导致扫描项目失败。
（三）点云数据的简单处理、保存模型数据采集完毕后，可利用WIN3DD扫描系统中的点云操作选项对模型外围杂点数据进行删除，便于下一步的封装处理具体操作步骤如下：○1将模型旋转至合适角度，点击矩形选择；○2被选中点云变成红色，点击删除即可；○3点击精简可精简点云模型数据量；○4在工程树形项目下可隐藏每一帧的扫描数据，便于对不同扫描次数的数据进行处理；○5点云数据处理完成后按照格式要求保存文件（参考任务二）；五、实验注意事项1、在WIN3DD扫描系统中新建工程项目时，工程名称应为中文，数字或者英文字符，不可出现相关符号；2、喷粉时应与模型保持适当距离晃动喷粉，使模型表面显像剂喷涂均匀，可减少扫描误差；3、扫描过程中避免扫描系统震动，同时被扫描工件也必须静止状态；4、扫描时外部环境光线不要太强，暗室操作效果最好；5、对于容易变形的工件，可以通过云台移动扫描头或移动扫描系统进行扫描：6、扫描时十字尽量投在被扫描工件上：7、扫描时，根据实际需要可通过云台确定扫描头的位置或角度：8、扫描系统具有仿生学视觉特点，为顺利完成扫描工作，扫描人员可以站在扫描头的位置判断能否看到需要提取的标志点，若不能请及时调整被扫描工件的摆放角度。
任务四：三维CAD模型的重构一、实验目的1、熟练操作并掌握扫描点云数据的后序处理；2、掌握并熟练使用逆向三维建模软件；二、实验设备1、Geomagic Studio、Geomagic design逆向建模操作软件；三、实验内容与实验步骤1、将点云数据导入Geomagic Studio软件中（参考任务二）2、设置着色，设置旋转中心○1点击着色——着色点，渲染一下，以便观察○2鼠标右键点击设置旋转中心，选择合适的位置作为模型的旋转中心，方便操作3、手动去除多余杂点并减少噪音点○1由于有一些缺陷，需要利用填充孔、快速光顺、删除钉状物、松弛、去除特征等命令使模型光顺，便于下一步的逆向建模；4、封装处理○1点击封装，点云数据即可自动封装处理5、模型缺陷填补、表面光顺的操作○1由于有一些缺陷，需要利用填充孔、快速光顺、删除钉状物、松弛、去除特征等命令使模型光顺，便于下一步的逆向建模；6、导出stl模型（参考任务二）7、将stl格式模型数据导入Geomagic design中（参考任务二）8、划分领域○1点击领域——自动分割——设置划分领域参数，即可自动进行领域分割9、对齐坐标系对齐方法○1在模型上找到两个相互垂直面，或者相互正交线，手动对齐。
