手持激光扫描仪是一种通过使用线激光来获取物体表面点云的三维激光扫描仪，通过手持移动扫描来获取目标表面的三维数据，其自定位功能能够实现在扫描获取数据的过程中对目标对象进行自动配准，用视觉标记来确定扫描仪在工作过程中的空间位置^[1-3]。

目前，对于手持激光扫描系统的精度检测方法的研究属于起步阶段。由于手持激光扫描仪精度较高且测量原理与传统测绘仪器不同，所以不能使用对传统测绘仪器的检定方法来检定。尽管厂家会给出仪器出厂时的标称精度，但标称精度是在特定的环境下得到的，无法保证在实际应用中仪器能达到标称精度，因此对手持激光扫描仪进行精度测试十分必要^[4]。

本文以HandySCAN 700为实验对象，通过多次重复测量标准件的尺寸来测试其内符合精度，与标准体积比较体积精度，测量连续长度不断增加的实验工件来探究手持激光扫描仪的精度衰减情况, 根据在单位时间内对不同颜色不同粗糙度的表面扫描采集的点云个数来分析其对扫描速度的影响。

1 实验仪器及原理 1.1 实验仪器

本次实验采用的是Creaform公司的HandySCAN 700手持式三维激光扫描仪(见图 1)，具有较高的准确性、速度和分辨率标准，也是市场上用途最广的3D扫描仪，主要适用于工业质量检测以及要求比较严格的逆向工程测量。其测量精度高达0.030 mm，分辨率高达0.050 mm，具有很高的重复性及可追踪性。在任何环境条件下，均可达到较高的精度，不受部件结构或用户能力限制。而且拥有其他激光扫描仪无法比拟的测量速度：480 000次/s。

1.2 仪器原理

手持式三维激光扫描仪采用的是激光三角测距法测距原理。一个完备成熟的手持激光扫描仪系统主要包括三大部分：信息输入、数据采集和数据处理输出设备。信息输入主要由激光扫描系统、两个CCD摄像机及照明设备组成。根据后方交会-前方交会定点原理，将两个CCD摄像机所形成的图像平面，再加上被测对象，构成三角形来完成测量。知道两个摄像机之间的相互位置关系，就能够测量两个摄像机公共视场内物体空间特征点的三维坐标^[5]。

2 手持扫描仪精度测试实验 2.1 手持扫描仪内符合精度测试

手持激光扫描仪的内符合精度体现了仪器在测量过程中的稳定性，通过对同一观测目标的同一观测量进行多次重复观测，得到观测数据之间的较差，通过计算其中误差从而来衡量仪器内符合精度水平^[6]。

试验中分别对标准量块以及标准球件(见图 2，尺寸为100 mm×35 mm×9 mm，直径40 mm)进行5次重复扫描，在获取扫描模型后，导入到数据处理软件Polyworks中，对模型进行后处理，对标准量块通过创建扫描的平面特征建立笛卡尔坐标系放正，选择创建规整的断面然后利用断面卡规来获取扫描量块的长宽高数据。对球件，因为球的大小限制，导致无法在上面贴标志点进行扫描，从而无法实现整个球的扫描与合并拼接，所以只能扫描球的一部分，然后在Polyworks中通过选点创建球特征进行球的拟合，从而获取球的扫描模型的直径数据。

利用手持激光扫描仪对标准量块和球件的扫描所生成的三维模型各项数据见表 1和表 2，从表 1中的数据可以看出，5次重复扫描标准量块所得的长宽高数据的中误差均较小，都在0.025 mm以内，从表 2中数据可以看出，5次重复扫描球件所得直径结果的中误差也比较小，为0.010 mm，由此可以得出，本次实验所使用的Handy SCAN 700手持式激光扫描仪的内符合精度较高，拥有较好的内部稳定性。

2.2 手持扫描仪体积精度测试

利用扫描仪对标准量块和球件进行扫描获取数据生成三维模型，然后通过软件获得扫描模型的模型体积，将模型体积与其标准体积进行对比分析，通过比较两种体积的差值来分析手持激光扫描仪的体积精度。由表 1和表 2可以计算得到模型体积，根据厂家提供的标称精度来获取体积精度所允许的误差范围，标准量块和标准球件所允许的误差范围分别为±50.291 mm³和±47.164 mm³，最终统计结果如表 3和表 4所示。

由表 3和表 4的统计结果可以发现对标准件的数次扫描中，往往只有一两次的体积精度是符合精度允许误差范围的，考虑到试验所选用的物件为不锈钢材质，存在镜面反射的情况，同时标准量块的边缘效应也会造成体积一定程度上的偏差。综合分析可知，手持激光扫描仪对目标的扫描一般难以达到其厂家的标称精度，这受到扫描条件和扫描环境的综合影响，但是差距不会太大，整体精度还在可控范围内保持着一定的水准。

2.3 连续扫描长度对精度的影响

本实验设计了如图 3所示的实验对象，按大约20 cm布置竖直板。LeicaAT960激光跟踪仪的精度能达到0.006 mm，高于手持激光扫描仪的最高精度0.03 mm，所以用激光跟踪仪在每个竖直板扫描40个点拟合平面，然后求出各个平面之间的距离，当作检校手持激光扫描仪的理想真值^[7]，用手持激光扫描仪扫描整个对象，对每个竖直板拟合平面，同样测出各个平面间的距离，并计算二者的差值δ，如表 5所示。

δ随激光跟踪仪测量数据的参考真值变化的散点图如图 4所示，发现在3 m以内，呈现良好的线性趋势。对δ和参考真值作一元线性回归分析，构建回归模型^[8]：

$ y = a + b{x_i} + {\varepsilon _i}, i = 1, 2, \cdots , n $

(1)

计算a和b的近似值a₀和b₀, 令

$ \left\{ \begin{array}{l} a = {a_0} + \delta a\\ b = {b_0} + \delta b \end{array} \right. $

(2)

设ε_i的最小二乘估值为v_i，代入回归模型有：

$ {v_i} = \delta a + {x_i}\delta b + {a_0} + {b_0}\;{x_i} - {y_i}, i = 1, 2, \cdots , n $

(3)

用矩阵表示为：

$ \boldsymbol{V} = \boldsymbol{A}\delta \boldsymbol{B} + \boldsymbol{W} $

(4)

由最小二乘准则V ^T PV =min可得：δ B = -(A ^T A)^-1 A ^T W，从而得到回归参数a和b的估计值。

利用表中的实验数据可求得a=-0.098 mm，b=0.308 mm/m，即手持激光扫描仪随连续扫描长度的增加精度的线性衰减公式为：

$ y = - 0.098 + 0.308x $

(5)

2.4 颜色以及粗糙度对扫描速度的影响

为了测试扫描目标的颜色以及粗糙度对仪器扫描速度的影响，在试验中分别选择一张光滑的A4打印纸和粗糙的A4铅画纸，在两张试验纸上都打印上大小为7 cm×7 cm，颜色分别为红色、蓝色、绿色、黄色、紫色、黑色的6个色块。试验过程中将两张纸平整地置于工作平台上，于室内弱光照的条件下进行扫描获取数据。从扫描结果看，该手持激光扫描仪无法区分6个色块，纸上的扫描数据也是均匀分布，没有明显的差异。

进一步分析扫描目标的颜色以及粗糙度对仪器扫描速度的影响，选择2张光滑的A4打印纸以及2张粗糙的A4铅画纸，打印纸和铅画纸都分别为一张红色一张黑色。在室内弱光照的条件下平整扫描，固定扫描时间10 s，记录手持激光扫描仪扫描获得的点云个数。试验结果统计如表 6所示。

从表 6中的数据分析可以得到，单位时间内手持激光扫描仪对黑色试验纸扫描采集的点云数据明显少于红色试验纸，同种颜色的试验纸粗糙表面被采集的点云数据会略大于光滑表面，造成两者扫描时间如此大的差异的原因主要在于黑色吸光而且光滑面反射性质强，导致手持激光扫描仪接收到的反射信号弱，所以单位时间内扫描采集的点云数据会更少。越粗糙的表面能够增加漫发射成分，使得扫描仪能接收到的信号增加，从而使得单位时间内的扫描量增加。这在实际使用中有一定的指导意义，即针对不同的扫描表面选择不同的仪器曝光度来使得扫描仪有一个最佳的工作状态来获取扫描数据，比如针对黑色的表面就需要增加曝光度使得接收更强的信号，针对浅色如白色的表面等反射性质强的表面，就需要降低曝光度，以免浪费较多的扫描时间，从而提高工作效率。实验中所使用的HandySCAN 700，在VXelements软件中可以自动校准曝光条件，根据扫描表面自动设置最佳的曝光参数。

3 结束语

本文主要做了4个实验来对手持激光扫描仪HandySCAN 700进行精度测试与分析。包括HandySCAN 700的内符合精度测试、体积精度测试、精度随连续扫描长度的衰减情况以及扫描目标颜色和粗糙度对仪器扫描速度的影响。根据3次试验数据分析可以得到，试验中所使用的手持激光扫描仪HandySCAN 700内符合精度较高，稳定性好，但在实际测量中，体积精度方面难以稳定达到误差允许范围要求。随着连续扫描长度的增加，精度会呈线性衰减，所以在实际应用中，如果要连续扫描长度较大的对象，需要用精度更高的点来加以控制，避免误差的累积^[9-13]。粗糙度对仪器的扫描速度影响不大，颜色由于对吸收光和反射光的性质不同，会造成扫描仪接收信号的差异，从而使得扫描速度方面受到影响。