收稿日期:2018-08-10
作者简介：王丁辰(1994—)，男，汉族，北京人，硕士研究生，研究方向：光电检测技术。 通讯作者：周哲海(1978—)，男，内蒙古赤峰人，教授，研究生导师，研究方向：光电检测技术、生物医学检测技术及仪器、微光学器件与系统。
1 引言
1.1 项目背景及意义
3D扫描仪兴起于上世纪七八十年代，发展到今天已有几十年的历史。其最早通过接触式测量方法来实现，其中三维坐标测量机就是典型的代表。虽然它的精度可以达到微米量级，但是大部分有着巨大的体积并且造价昂贵、成本高昂，并且不能测量表面柔软的物体，因此只能被广泛应用于工业上而不能面向个人。 随后，非接触式的测量方法进而产生，其主要有两种方式，分别是被动形式和主动形式。前者完全依靠物体所处的自然光条件进行
扫描，常采用双目技术但是精度低，只能扫描出有几何特征的物体;
后者是向物体投射特定的光，其中代表的技术便是激光线式扫描，其精度较高但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢导致效率偏低。
现在新兴的技术是线构光式扫描，结构光也属于主动方式，在激光线的基础上改进，通过投影或者光栅等同时发出多条光线，因此可以较快地获取目标的一个面，因此只需要几个面的信息就可以完成扫描，最大的特点是扫描速度快，可通过编程软件实现[1]。
1.2 国内现状
目前国内市场面向消费者的3D扫描仪基本都是非接触式，但是价格对于个人依旧高昂。因此个人消费级扫描仪较高的价格和相关的算法实现，是大多数非专业人士对此项技术望而却步的原因。如果可以把消费级的成本降至较低并且让消费者了解3D扫描的核心
原理,3D扫描技术还会更广泛的被人们所了解熟知。
2 系统概述
2.1 扫描原理
3D扫描仪的核心原理即三角测距法[2]，一般分为斜射式和直射
式，本设计以直射式举例。原理如图1所示。
中间的粗线代表CCD摄像头，左边的斜线代表激光器，二者的交汇处即为物体也是转台的旋转中心，水平线代表物体表面不同的深度;CCD和激光器的夹角我们人为规定设为θ,CCD与物体的距离设为Z，斑点位置(水平线与激光线交点)距离图片中线的距离为X；由公式(1)
(1)
可知，我们只要得出X，便可以根据基本的三角函数得到深度值Z。
延长图中的激光线，可以在图像上方得到另一于此配对的相似三角形，此时上方三角形激光线距离中间粗线也就是图片中心线的距离设为小x，此时我们知道X值随小x值变化而变化，需要我们利用相似关系得到X与x的关系。
X与x的关系可以通过上位机软件标定激光器自动得到。 2.2 系统方案
机械部分,3D扫描仪目前主要分为两种，分别是手持式和固定式，其中固定式又分为转台式和非转台式。基于低难度、简单易学的特点，本设计基于转台式——即两一字线激光器分别位于CCD左右两端保持平行且固定，转台和CCD处于同一直线且与左右激光器呈等腰三角形，物体在转台上通过步进电机匀速转动。
本设计机械结构参照于国外开源的Ciclop结构，如图2所示。硬件部分，选择舵机为28BYJ的步进电机，通过ULN2003驱动板及Arduino控制转盘的方向及转动速度，左右可调焦的激光器通过ATmega328p控制，分别来回闪烁扫描物体,CCD采用为罗技720P高清摄头。
软件部分，在PC端，我们通过下位机软件Arduino IDE在窗口中输入相关代码来控制电机[3]，而控制激光器校准一系列操作，我们
桌面级3D 扫描仪的设计与实现
王丁辰 余善霖 张旷奇 李继旺 周哲海
(北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室，北京 100192)
摘要：桌面级3D扫描仪主要由硬件和软件两大部分构成，前者主要包括转台及步进电机、单片机及激光器、CCD摄像头传感器，后者
由单片机相关的上位机IDE及开源软件组成。其基本工作过程是先开始用上位机软件进行一系列标定，标定结束将待扫描物体放上转台进行匀速转动扫描，结束后得到物体的PLY模型文件再经相关图像处理软件后方可得到用于3D打印的STL点云文件。系统经过调试后，扫描效果良好，基本实现预期功能。此设计具有低难度低成本、简单易学等特点。
关键词:3D 扫描仪；点云；单片机；C C D ；摄像头传感器中图分类号:TP334文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2018)09-0123-03
设计开发
DOI:10.19695/jki12-1369.2018.09.61
图1 直射式原理
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第 36 卷 数字技术与应用 www.szjsyyy 通过强大的国外开源软件Horus作为上位机来控制。
2.3 系统结构
扫描仪结构由软硬件共同完成，硬件部分主要通过CCD摄像头、激光器、步进电机和单片机构成，软件部分主要由上位机下位机软件共同完成，前者负责标定校准，后者负责电机和激光的驱动。硬件通过软件来控制硬件并优化，最终得到目标物体ply格式的的模型扫描文件，再运用开源图像处理软件MeshLab便可得到符合3D打印格式的STL文件。结构逻辑框图如图3所示。
3 标定与校准
本设计不同于其他扫描仪的最大特在于标定校准[4]这一步骤，这一步也正是最关键的算法实现，初学者往往需要有相关的MATLAB[5]以及OpenCV3[6]等开源库的编程基础，而这里不得不提到开源软件Horus。Horus由西班牙BQ公司开发，作为开源扫描仪的上位机软件，它便携的帮助个人解决了较复杂的算法实现这一步骤，把这一算法囊括在了软件Horus中，也正是因为Horus的出现，初学者不需要再通过MATLAB和OpenCV3进行相关的复杂编程。
本设计标定分为三步骤，第一步为相机模型标定；第二步为激光器标定，涉及到核心算法中心线提取[7]；第三步为工作台标定。
3.1 相机标定
所谓标定，就是确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，所以必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。
在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定。无论是在图像测量或者机器视觉应用中，相机参数的标定都是非常关键的环节，其标定结果的精度及算法的稳定性直接影响相机工作产生结果的准确性。因此，做好相机标定是做好后续工作的前提。
了解原理后，我们需要利用标定板拍摄多组网格图片，目的是为了更好地校准和去除畸变，也就是常说的消除扭曲以减小误差，理论上样片越多，最后标定的误差会越小。标定过程和最终得到的参数分别如图4和图5所示。
3.2 激光校准
校准激光的目的是使激光的亮度足以被检测到，这一步的核心算法便是上文提及的“中心线提取”，还有就是控制环境周围的曝光度，并且保证转台旋转最大角度能被检测到为最合适角度，此外还应保证两束激光处于垂直位置。
标定过程和最终得到的参数分别如图6和图7所示。
3.3 工作台校准
转台校准的目的依然是保证待测物体保证在被扫描的范围以内，与相机有关的旋转圆盘的齐次变换矩阵也是从外部校准获得。换句话说，就是光盘的位置和旋转。激光三角测量结果如图8所示。
4 系统特
本设计的3D扫描仪中，优势有以下几方面：一是机械结构的所有组成部分，本身也是3D打印件，也是由SoildWork、AutoCAD等制图软件绘图而来，所以方便使用者可以在大体结构不变的基础上按
图2 Ciclop
扫描结构
图3 系统框图
图4 相机标定样片
图5 相机标定结果
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2018年第 09
期
声音定位
灰度矩阵
延时开关电路
相片冲印
照自己喜欢的方式自行更改。二是开源软件Horus，它已经把相关的核心算法囊括在其中，使用者只需要了解其原理而不需要有MATLAB、OpenCV等编程功底就可直接使用。三是可替代性，本设计的硬件部分使用者可以随意更换，后期如果计划提高速度和精度，可更换更高级的激光器以及微处理器及摄头。
5 技术说明及适用范围
本设计中，转盘的承重不大于3公斤，理论上可扫描物体重量在此范围内的物体，并且物体的体积小于20*20厘米。为达到较好的扫描效果，转盘转速设在5分钟/圈为宜，传感器垂直距离转盘约为50
厘米。
烤肉炉子本设计属于桌面级3D扫描仪，不能和工业级扫描仪相提并论，并不适合扫不规则复杂物体，只有扫描接近规范几何体的物体，效果才会比较理想，扫描质量跟物体、环境、光线都有很大关系，所以推荐上位机软件中亮度值100-150左右的扫描环境为宜。
难以扫描的物体包括透明物体(玻璃、有机塑料等)、发光或强反光物体、非常暗及表面模糊物体(毛绒材质)。扫描范例如图9所示。
6 结语
本论文的基本工作是在个人无需完全掌握3D扫描仪算法原理的情况下，也可以设计并制作一套上手易、成本低且精度较高的桌面级3D扫描仪。
扫描仪虽然最终得以实现预期效果，但还有两点需要改进：第一点是扫描速度，过快会导致精度降低过慢又会导致效率低下，日后计划再增加一激光器同时逐步提高电机转动速度；第二点是每次扫描前需要根据当前场景重新标定，这就不可避免地造成重复劳动，计划下一步将不同场景标定数据进行统计并做成属性文件，如此可根据不同环境光背景直接调用已有的标定数据。
7 致谢
本课题研究得到了北京信息科技大学勤信学者支持计划(QXTCP A201701)和2018年北京信息科技大学人才培养质量提高经费(5111823205)支持，在此表示感谢。参考文献
[1]董秀军.三维激光扫描技术及其工程应用研究[D].成都理工大学,2007.
[2]徐俊峰.激光三角法测距系统[D].长春理工大学,2012.
[3]赵洪河，陆宏谦.基于Arduino的步进电机分析与设计[J].智能机器人,6:42-45,2016.
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[5]张曦，黄亮，徐洋，郭冬霄.基于MATLAB中calibration toolbox的相机标定应用研究[J].微型机与应用,8:7-13,2011.
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电视升降机
[7]朱梦楠.三维扫描中激光光条中心提取精度的研究[D].西北农林科技大学,2017.
图6 激光校准
图7 激光校准结果
图8 工作台校准结果
图9 扫描示例
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王丁辰 余善霖等：桌面级3D 扫描仪的设计与实现. All Rights Reserved.
2018年第 09 期
Design and Implementation of Desktop 3D Scanner
WANG Ding-chen, YU Shan-lin, ZHANG Kuang-qi, LI Ji-wang, ZHOU Zhe-hai
(Beijing Key Laboratory of Optoelectric Measurement Technology, Beijing Information Science and Technology University,
Beijing 100192)
Abstract:The desktop-level 3D scanner is mainly composed of two parts: hardware and software. The former mainly includes the turntable and stepper motor, the single-chip microcomputer and the l
aser, and the CCD camera sensor. The latter consists of the host computer IDE and open source software. The basic working process is to start a series of calibration with the upper computer software. After the calibration is finished, the object to be scanned is placed on the turntable for uniform rotation scanning. After the end, the PLY model file of the object is obtained and then obtained by the related image processing software for 3D. Print the STL point cloud file. After the system is debugged, the scanning effect is good, and the expected function is basically realized. This design is characterized by low cost, low cost, and easy to learn.
Key words:3D scanner; point cloud; single chip; CCD camera sensor
Study on the Design of Animal Product Traceback System Based on RFID and
Two-dimensional Code Technology
WANG Guan-yun
(Beijing Vocatioeal College of Agriculture,Beijing 102442)
Abstract:Under the new situation, the increase of people's demand for animal products brings great pressure to the development of animal
husbandry. The author thinks, can take advantage of computer network actively, design a animal product traceability system based on RFID and two-dimensional code technology, promote the sale of animal products. This paper discusses the design of the tracing system.
Key words:RFID; Two-dimensional code technology; Animal products traceability system; design
追溯畜产品生产质量的综合信息系统，是系统设计的中央处理器，系统收集了其他五个部分的静态数据与动态数据，以供消费者调查与使用。在该系统设计中，可利用Server 2000数据库作为综合信息系统的储存器，用以存储各项系统收集的信息，以C/S设置信息系统平台，利用客户端、服务器端等硬件环境的优势，将任务分配至Server端，不需要经过网络。
2.2 养殖场信息采集管理系统
养殖信息管理系统，主要是对养殖全过程的信息收集与管理。在养殖环节中，养殖户应将含有RFID芯片的电子标签嵌入牲畜耳朵，全程跟踪个体牲畜生长的全过程。如此，相关人员仅需要通读写器，即可追溯牲畜养殖全过程，避免了协病牲畜流入市场。
2.3 屠宰信息记录系统
屠宰信息记录系统的存在，主要是用来比对活体信息与牲畜屠宰后信息是否一致，以此保障肉产品的安全。在牲畜运输至屠宰场后,REID系统会自动监控屠宰全过程，首先，识别个体牲畜，检测养殖环节是否达标。其次，系统对牲畜屠宰全过程进行记录，保障整个过程的规范与安全。最后，对肉产品进行检疫，若肉产品不合格，则REID系统将发出警告，杜绝不合格肉食品流入市场。在这一过程中，为降低后续成本投入，应积极应用二维码技术。
2.4 运输过程信息记录系统
在畜产品运输过程中，为避免不良畜产品夹杂其中，相关人员应将利用读写器读写REID内信息，观看其中是否存在畜产品运输的单位、车牌号、是否检疫与消毒等信息，若不存在或者信息不合法,REID技术汇自动报警，杜绝了不合格畜产品流入各个市场，为
人们健康带来重大威胁。
2.5 畜产品分割、加工与消费信息管理系统
在畜产品开始零售时，个体经营户会对整体畜产品进行分割，加工，包装，出售。对于每一份待销售的畜产品，经营户应读取二维码信息，了解其中各项信息，并将自己的信息添加其中，在畜产品销售中，打印上述信息于收银条，保障消费者安全购买与食用。
2.6 质量安全品牌查询追溯系统
在畜产品售卖时，为保障客户安心购买，提高企业或个体户的经营效益，可为消费者提供不同的查询手段，使其能够对畜产品质量进行追溯。
3 结语
基于RFID与二维码技术的畜产品可追溯系统设计，主要经过上述几大步骤，实现了对畜产品全过程的追溯，全面保障了畜产品的健康与安全，杜绝了食品安全事件的发生，保障了畜牧市场的平稳性，推动了国家畜牧产业的发展。参考文献
[1]张洪轩，刘晓枫，道里刚，等.基于RFID和二维码技术的牦牛畜产品质量安全溯源系统在红原县的设计与应用[J].草业与畜牧,2017,(5):68-71.
[2]李佳.基于RFID和二维码的茶叶质量安全可追溯系统的设计[D].浙江农林大学,2015,(8):79-79.
[3]闫朋.基于RFID的畜产品溯源技术的研究与实现[D].黑龙江大学,2014,(12):119-119.
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王官云：基于R F I D 与二维码技术的畜产品可追溯系统设计研究
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