第二章 测量系统的硬件设计

2。1 测量系统的结构

伪随机光三维扫描设备因其功能的要求，必须要保证系统所测量的数据拥有较高的精度，所以在选择相关核心硬件时，需尽可能提高系统的精度。选择合理的硬件，会使整个系统更加稳定、增强系统对外界干扰的抵抗能力，加快计算机的计算速度，降低系统的成本。

伪随机光三维扫描设备的整体硬件模型如图2-1所示。以摄影所用的三脚架为支撑结构，CCD相机和投影仪放在三脚架上，可与计算机相连。

图2-1伪随机光三维扫描设备模型

其中，三脚架部分模型如图2-2所示，对于伪随机光三维扫描系统来说，选择三脚架需要考虑以下几个指标：承重、材质、重量等。

承重：承重=相机加投影仪重量*1。5或2；

材质：分为铝合金，铝镁合金，碳纤维及镁合金。其稳定性由左至右铝合金<铝镁合金<碳纤维。价格铝合金>铝镁合金>碳纤维；

重量：合金类重量大，价格便宜，碳纤维重量轻，便于携带，价格是铝合金的2-3倍。

图2-2 三脚架模型

通过对以上方面的分析，选用铝合金材质的三脚架。承重约为5kg，自重约为1。8kg。一般投影仪的质量在1。5kg之间，加上两个CCD相机，总质量在

2kg左右，因此该类型三脚架能够满足系统需求。

2。2 系统硬件选择

2。2。1  概述

一般来说，伪随机光三维扫描设备包括相机、镜头、同步控制电路和计算机等，每一个部件的好坏都对图象的清晰度产生直接的影响。对于每一个零部件，都要根据系统的具体要求，充分考虑到视场、分辨率、景深和畸变等因素[8]。

视场是指该系统能够检测到的场景的范围。如图2-3所示，D 表示系统的工作距离，f 为焦距，M表示物像，m表示图像。

图2-3 物体成像示意图

分辨率指的是该测量系统能够识别的最小的范围。对于 CCD 相机，需要两对以上的象素来辨别一对线，因此 CCD 的分辨率可以由两对象素的尺寸来表示，物体三维空间的分辨率表示能够测量出的最小的物体的几何尺寸。文献综述

景深表示 CCD 能够清楚的在图像平面中表示物体实际尺寸的范围。即只有图2-2中所示的 D 选择在合适的范围内，才能在图像平面上生成清晰的图象，一旦超出了这个范围，分辨率就会降低，物体就会变得模糊。

镜头畸变指由像素差导致的成像质量的下降。因此必须在镜头的选择中充分考虑到畸变的存在，合理选择镜头。

2。2。2 CCD相机的选择

测量系统的好坏对被测物体的精度有着直接的影响，而测量系统所选用的相机将直接影响到测量系统的精度。所以一个合适的相机对于扫描系统来说至关重要。

相机的光电载体主要功能便是将所采集的光信号经过处理，转换为电信号。这两种光电载体分别为 CCD 电荷耦合器件和 CMOS 互补金属氧化物半导体。

CCD与CMOS图像传感器最大的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD在输出过程中只有一个输出接口，所以其信号能够相对统一地输出；而CMOS由于存在许多信号放大器，每个放大器都在进行光电转换，其信号难以保持相对一致的输出。CCD发展较早，技术相对成熟，能够更为有效地减少噪声的影响，成像质量较好。因此CMOS和CCD相机相比还是存在着较大的不足。综上所述，本次设计初选CCD相机。

每幅CCD 相机所拍摄的数字图象可以通过一个 X×Y 点阵表示，X 行 Y 列的每一个元素称为象素(pixel)，每个象素点都有一个具体的值，该值的大小就表示这一点的灰度或亮度，其表示 CCD 平面上 X×Y 个元件所带有的电荷量。