[论文解读] Study of uncertainty and repeatability in structured-light 3D scanners

María Eugenia Polo García, Aurora Cuartero+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2019

3D Surveying and Cultural Heritage参考文献 18被引用 7

一句话总结

本研究通过在不同分辨率下扫描钢质量块，评估了两种结构光3D扫描仪（Go!SCAN 20TM 和 Go!SCAN 50TM）的不确定性和重复性。研究发现系统误差与标称精度相当，全局不确定度约为0.05 mm，两种型号之间无显著差异，因此提出了一种基于分辨率依赖性能的扫描策略。

ABSTRACT

Structured-light 3D scanners create 3D models with high accuracy, but controlling the accuracy and repeatability of the scanner is essential. The objective of this paper is to analyze the repeatability and accuracy of two structured-light 3D scanners (Go!SCAN 20TM and Go!SCAN 50TM). The method used scans steel gauge blocks several times with different resolutions to analyze the scanned data and to test the correlation between uncertainty, resolution, and scanner model. The primary results include: 1) a systematic error of magnitude similar to nominal accuracy exists and must be corrected and 2) the global uncertainty is approximately 0.05 mm without significant differences between the two scanner models. A strategy for scanning is proposed based on the results at different resolutions.

研究动机与目标

• 在受控条件下评估结构光3D扫描仪的重复性和精度。
• 识别影响商用3D扫描仪测量可靠性的系统性误差。
• 评估扫描分辨率对不确定性和数据一致性的影响。
• 比较Go!SCAN 20TM和Go!SCAN 50TM两种扫描仪在不确定性和重复性方面的性能。
• 基于分辨率依赖的性能和不确定度特性，提出一种实用的扫描策略。

提出的方法

• 多次扫描经校准的钢质量块，以在相同条件下收集重复测量数据。
• 在多个测试会话中改变扫描分辨率，以分析分辨率依赖的不确定度。
• 使用统计分析量化重复性，并识别与真实尺寸的系统性偏差。
• 将测量数据与已知量块尺寸进行对比，以评估精度和偏差。
• 利用标准差和偏差估计，计算作为分辨率和扫描仪型号函数的全局不确定度。
• 基于分辨率和观测到的不确定度趋势，提出一种扫描策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同分辨率和扫描仪型号下，结构光3D扫描仪的不确定度水平如何？
• RQ2 测量中是否存在系统误差，其大小与标称精度相比如何？
• RQ3 Go!SCAN 20TM和Go!SCAN 50TM型号之间的不确定度是否存在显著差异？
• RQ4 扫描分辨率如何影响3D扫描的重复性和精度？
• RQ5 能否基于分辨率和不确定度行为开发一种实用的扫描策略？

主要发现

• 识别出系统误差，其大小与扫描仪的标称精度相当，表明测量结果需要进行校正。
• 在所有测试条件下，全局不确定度约为0.05 mm，Go!SCAN 20TM和Go!SCAN 50TM型号之间无统计学显著差异。
• 不确定度在不同分辨率下保持稳定，表明分辨率设置对性能无显著影响。
• 多次扫描的重复性较高，表明在受控条件下性能可靠。
• 研究结果支持开发基于分辨率的扫描策略，以优化测量精度和不确定度。
• 研究证实，两种扫描仪的不确定度水平相似，因此在系统误差得到校正后，型号选择对精度的影响较小。