·814 工程科学学报，第41卷，第6期 X'=X"+a 3烧伤创面三维重建与切痂系统调试 Y=Y"+b Z=Z"+c 3.1烧伤创面治疗区域三维重建 (X=Y".sin45 基于实际设计需求，选择结构光扫描法对烧伤 Y=-Z" 创面待治疗区域进行三维扫描和轮廓重建，即将一 Z=X"·sin45 维或二维图像（结构光）投射到物体表面，根据图像 联立得： 形变情况来推测物体表面，重建被测物体的三维轮 rX=(Y-b)·sin45 廓-8.目前，市场上已有较成熟的结构光扫描 Y=-(Z-c) (6) 仪，该激光切痂系统选用德国DAVI公司的DAVID Z=(X'-a)·sin45 SLS-3结构光3D扫描仪作为三维扫描组件.该结 设虚拟坐标系中任意一点对应的法向量为（山， 构光扫描仪的技术规格如表2所示，该扫描仪的图 ,w),则其在绝对坐标系中的法向量为：(u,,o)· 像显示精度为0.05mm,扫描精度较高. M.通过坐标变换，三维扫描仪扫描点集坐标与其 表2三维扫描仪技术参数表 法向量坐标都可以转换到绝对坐标系中去 Table 2 Technical parameter table of 3D scanner 2.3.3工作坐标变换 项目 参数 该激光切痂系统可以通过控制5自由度运动平 扫描尺寸范围 60~500mm 台绕X轴旋转和绕Y轴旋转一定角度和平移使激 图像显示精度 约为物体实际尺寸的0.05%（高至0.05mm) 光垂直照射于烧伤创面轮廓.设轮廓上任意一点 单幅扫描2s(或最高到105，取决于设置和 扫描时长 A(X4,Y,Z4,1)的法向量为(U,V,W,1),激光光 电脑运行速度) 路方向向量为(0,0,1,1).当运动平台绕X轴旋 网格密度 每幅扫描顶点2300000 转角度α后再绕Y轴旋转角度B,可以使两向量重 输出文档格式 OBJ.STL,PLY 合，即： 实验初步使用人体手部进行扫描测试，最终能 (0,0,1,1)=(U,V,W,1)M (7) 良好地扫描并重建人体手部三维模型，结果如图10 其中： 所示. cosB 0 -sinB 01 sinasinβ coso sinacosβ 0 M,= sinBcoso sina cosacosB 0 0 0 0 1 任意，B与一组电动缸的位移值对应，在己知 法向量(U,V,W,1)的情况下，可以求解出α，B,进而 求得旋转后的点A的坐标为： (X,Y,Z,1)=(X4,YA,ZA,1)M1 (8) 旋转后的A再经过沿X轴、Y轴、Z轴平移一定 图10三维扫描结果 Fig.10 Three-dimensional scanning results 距离即可与激光焦点重合，即有： (Xo +XoR +Xsr:Yo YoR +YsT:Zo Zog +ZsT,1)= 3.2激光切痂系统调试与实验 「10007 3.2.1基本性能检测与精度校准 0 1 0 0 (X,Y,Z,1)· 采用激光位移传感器和倾角测量仪等仪器进行 (9) 0 01 0 测量，通过倾角仪测得旋转角度行程，通过上位机调 L△X△Y△Z 1 整光路控制机构角度位置到正负极限位置，检测结 式中，△X,△Y,△Z分别为沿X轴、Y轴、Z轴的位移. 果符合设计指标. 通过以上过程，便可实现激光垂直聚焦于烧伤 如果运动平台的平动位移与预设位移相差太 创面，并将点坐标值转化为各轴电机位移值.通过 大，会使烧伤切痂的治疗区域变化，影响治疗效果； 运动控制卡的位置一速度-时间模式，将位移值换算 同时，如果运动平台的转动角度与预设转动角度相 为对应的脉冲坐标，即可实现烧伤创面的自动激光 差过大，会使激光无法垂直照射与烧伤创面轮廓表 切痂治疗. 面，从而使激光功率密度降低，影响切痂治疗效果工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 X' = X″ + a Y' = Y″ + b Z' = Z″ + { c X = Y″·sin45 Y = － Z″ Z = X″· { sin45 联立得: X = ( Y' － b)·sin45 Y = － ( Z' － c) Z = ( X' － a)· { sin45 ( 6) 设虚拟坐标系中任意一点对应的法向量为( u， v，w) ，则其在绝对坐标系中的法向量为: ( u，v，w)· M． 通过坐标变换，三维扫描仪扫描点集坐标与其 法向量坐标都可以转换到绝对坐标系中去． 2. 3. 3 工作坐标变换 该激光切痂系统可以通过控制 5 自由度运动平 台绕 X 轴旋转和绕 Y 轴旋转一定角度和平移使激 光垂直照射于烧伤创面轮廓． 设轮廓上任意一点 A( XA，YA，ZA，1) 的法向量为( U，V，W，1) ，激光光 路方向向量为( 0，0，1，1) ． 当运动平台绕 X 轴旋 转角度 α 后再绕 Y 轴旋转角度 β，可以使两向量重 合，即: ( 0，0，1，1) = ( U，V，W，1)·M1 ( 7) 其中: M1 = cosβ 0 － sinβ 0 sinαsinβ cosα sinαcosβ 0 sinβcosα － sinα cosαcosβ 0            0 0 0 1 任意 α，β 与一组电动缸的位移值对应，在已知 法向量( U，V，W，1) 的情况下，可以求解出 α，β，进而 求得旋转后的点 A'的坐标为: ( X，Y，Z，1) = ( XA，YA，ZA，1)·M1 ( 8) 旋转后的 A'再经过沿 X 轴、Y 轴、Z 轴平移一定 距离即可与激光焦点重合，即有: ( X0 + X0Ｒ + XST，Y0 + Y0Ｒ + YST，Z0 + Z0Ｒ + ZST，1) = ( X，Y，Z，1)· 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 ΔX ΔY ΔZ            1 ( 9) 式中，ΔX，ΔY，ΔZ 分别为沿 X 轴、Y 轴、Z 轴的位移． 通过以上过程，便可实现激光垂直聚焦于烧伤 创面，并将点坐标值转化为各轴电机位移值． 通过 运动控制卡的位置--速度--时间模式，将位移值换算 为对应的脉冲坐标，即可实现烧伤创面的自动激光 切痂治疗． 3 烧伤创面三维重建与切痂系统调试 3. 1 烧伤创面治疗区域三维重建 基于实际设计需求，选择结构光扫描法对烧伤 创面待治疗区域进行三维扫描和轮廓重建，即将一 维或二维图像( 结构光) 投射到物体表面，根据图像 形变情况来推测物体表面，重建被测物体的三维轮 廓［17--18］． 目前，市场上已有较成熟的结构光扫描 仪，该激光切痂系统选用德国 DAVI 公司的 DAVID SLS--3 结构光 3D 扫描仪作为三维扫描组件． 该结 构光扫描仪的技术规格如表 2 所示，该扫描仪的图 像显示精度为 0. 05 mm，扫描精度较高． 表 2 三维扫描仪技术参数表 Table 2 Technical parameter table of 3D scanner 项目 参数 扫描尺寸范围 60 ～ 500 mm 图像显示精度 约为物体实际尺寸的 0. 05% ( 高至 0. 05 mm) 扫描时长 单幅扫描 2 s( 或最高到 10 s，取决于设置和 电脑运行速度) 网格密度 每幅扫描顶点 2300000 输出文档格式 OBJ，STL，PLY 实验初步使用人体手部进行扫描测试，最终能 良好地扫描并重建人体手部三维模型，结果如图 10 所示． 图 10 三维扫描结果 Fig． 10 Three-dimensional scanning results 3. 2 激光切痂系统调试与实验 3. 2. 1 基本性能检测与精度校准 采用激光位移传感器和倾角测量仪等仪器进行 测量，通过倾角仪测得旋转角度行程，通过上位机调 整光路控制机构角度位置到正负极限位置，检测结 果符合设计指标． 如果运动平台的平动位移与预设位移相差太 大，会使烧伤切痂的治疗区域变化，影响治疗效果; 同时，如果运动平台的转动角度与预设转动角度相 差过大，会使激光无法垂直照射与烧伤创面轮廓表 面，从而使激光功率密度降低，影响切痂治疗效果． · 418 ·