如何提高标记点拼接模式下的3D扫描精度？

在使用手持式三维扫描仪的过程中，由于每次扫描的幅面有限，为了得到全方位扫描数据，我们需要对物品进行多角度的扫描，从而将扫描数据拼接在一起。在拼接数据进行三维重建的过程中，我们需要用到一种辅助扫描拼接的“工具”，那就是粘贴在测量物体表面的圆形反光标记点。根据这种特制的黑白色圆形反光点作为拼接依据的拼接方法，我们称之为标记点拼接。

图1 内6外10标记点（单位：mm）

反光标记点

标记点为圆形设计。选择圆形设计是因为机器在识别标记点时是通过识别圆心位置来进行定位的，而圆心在空间中的位置恒定不变，这就使得机器能够稳定捕捉到圆心的位置，从而进行精确的三维重建。

标记点所使用的材料也对拼接精度产生影响。如图1所示，标记点由两个同心圆组成，分别为一个内圆和外圆，内圆采用的是高度反光材料，机器打出的激光通过反光材料回到相机，有助于机器捕捉圆心的准确位置；而外圆则采用了黑色设计，黑色与白色交接的边缘清晰，圆度偏差小，有助于过滤环境杂点，减少误识别的几率，从而提高机器对标记点的识别精度。

关于标记点的更多知识，可以查看我们此前发布过的文章：什么是标记点？

标记点拼接原理

机器通过在每一帧识别标记点的特征和位置来建立当前位置的三维信息，从而进行三维重建。拼接原理和过程如下：

1. 标记点组：每三个标记点(a, b, c) 形成一个标记点组。
2. 拼接过程：当扫描仪识别到一个新的标记点组(a₁, b₁, c₁) 时，通过计算这三个点组成的三角形的边长、角度与之前已知的标记点组 (a, b, c) 组成的三角形的边长、角度进行比较。如果它们的边长、角度相等，那么可以推断新识别到的三个点其实是之前已知的 (a, b, c) 三个点。如果不一致，那么识别到的则是新的标记点，机器将通过已知的点与新的标记点重新建立空间几何位置关系（如：建立 (a, b, c₁) 的新标记点组） 。
3. 对应关系建立：建立新识别到的标记点组与已知标记点组的一一对应关系，确保它们在同一坐标系下。
4. 数据拼接：通过对应关系，将新的点云数据与之前的数据集进行拼接，形成一个更大的三维模型。

如何提高拼接精度

由标记点拼接的原理我们很容易可以得出，影响拼接精度的两大主要因素是标记点的粘贴以及扫描手法。我们可以从这两方面着手，通过一些注意事项和技巧提高拼接精度。

1.  贴点注意事项

由拼接原理可以推断，机器每一帧识别到的标记点应不少于3-4个，才能在当前位置借助标记点的几何特征来进行三维重建。由于扫描仪的幅面有限，因此，标记点之间的间隙不宜过于稀疏，两个标记点之间的距离D，在条件允许情况下，保证在4-8 cm。这有利于扫描仪在各个扫描视角可以识别到更多的标记点，从而提升拼接精度。

图2 两标记点之间的距离D

由于相机是通过识别标记点位置来对物品特征来进行三维重建的，因此贴标记点时，尽量分散贴在被扫物品的各个维度、高度上。标记点平面与被扫物品的每一处特征，相距d不宜超过25 mm，物品特征三维重建的点云精度会更有保证。如只在一个平面上贴标记点，当物品高度大于25 mm时，扫描精度和数据质量可能会受到影响。

图3 标记点平面

图4 标记点平面与被扫物体最远的一处特征距离d

贴点越不规则，扫描精度越高。由于扫描仪在工作时是通过识别标记点之间的几何关系来进行拼接的，如果标记点的分布过于规则（如：出现了过多等腰或等边三角形），扫描仪很有可能会将某一组标记点错误识别为另一组几何特征相似的标记点，增加错误拼接的概率。因此，标记点组成的图案越不规则，越不容易拼错，精度也就越高。

尽量不要在弧面上贴标记点。标记点弯曲后，会让相机识别到的标记点呈椭圆，从而使得标记点圆心计算不准，最终会影响标记点的识别精度和拼接精度。如果一定要贴，则尽量保证粘贴时标记点不变形，只将标记点的中心轻轻贴在弧面上。

错误和正确的贴点方式对比

贴标记点时，尽量不要贴在明显特征上，避免关键特征数据丢失。标记点也不要贴在边缘，不然点云生成时，边缘数据可能会缺失。

2.  扫描技巧

除了标记点的贴法有所讲究以外，扫描的技巧也会对精度产生影响。扫描技巧包括扫描角度、距离、扫描过渡方式、判断物件材质以选用合适分辨率/贴点/喷粉手段等。如何使用使用iReal三维扫描仪的标记点拼接模式扫描物体，可以查看我们以往做过的案例教程示范：新手教程 – iReal 2E三维扫描仪标记点拼接模式指南

以下则是扫描中需要注意的一些技巧：

• 如前文所述，扫描仪需要识别内圆圆心来进行定位，因此需要尽量保证扫描仪在各个扫描角度可以正垂直识别当前角度的标记点。扫描仪识别到标记点的内圆越正，标记点圆心的位置就越准确，拼接精度就越高。
• 合适的扫描距离也有利于提升精度。在最佳扫描距离范围内，尽量远一点扫描，单幅面可以识别的标记点更多，建立的标记点组关系越多，拼接精度越高。
• 被扫描物件的材质（主要是指对光线的反射情况）也会对扫描精度产生影响。激光或散斑在物体表面产生的反射或折射会对扫描物体的精度产生影响，对透光率/折射率大的物体，三维重建的误差也会增大，例如，透光球体重建出来的球径会偏小。因此，遇到高反光、镜面、透明、透光、黑色等物品，在条件允许的情况下，喷涂反差增强剂有利于保证三维点云重建质量。

总结

有助于提升标记点拼接模式下的3D扫描精度的要点总结如下：

• 保持贴点间距为4-8 cm
• 不要贴在明显特征或边缘上
• 贴点分布要随机
• 尽量贴在各个维度
• 贴在弧面时不要压弯标记点
• 在扫描最佳范围内拉高扫描仪高度和角度
• 对于透光或反光物体需要喷粉

通过学习标记点拼接的原理，我们能够了解三维扫描重建的过程，懂得了原理，就能总结出一定的技巧去提升扫描精度。