三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及建模研究

楊明珠++董燕

摘要： 三維激光掃描儀以非接觸方式獲取物體對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)其建?？烧鎸?shí)還原物體對(duì)象原始面貌，因而在城市建設(shè)、文物保護(hù)、農(nóng)業(yè)以及制造業(yè)等方面都有很大影響。本文就點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間索引的建立、配準(zhǔn)、去噪、精簡(jiǎn)、分割等原理及處理過程進(jìn)行詳細(xì)介紹，并分析不同處理方法有缺點(diǎn)及適用性，最后利用Imageware軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用3dmax2017對(duì)建筑物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型構(gòu)建。

Abstract： 3D laser scanner to obtain the point cloud data by the non-contact method. The model can restore the original features of objects. Therefore， it has a great influence on urban construction， cultural relics protection， agriculture and manufacturing. This paper analyzes the registration， streamline， denoising and segmentation process of the point cloud data in detail， explores the common processing method and theory and analyzes the advantage and defect of every kinds of the methods. Finally， Imageware software is used to process the point cloud data and 3dmax2017 is used to construct the 3D point cloud data model.

關(guān)鍵詞： 點(diǎn)云數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理；模型構(gòu)建

Key words： point cloud data；data processing；model building

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）12-0117-03

0 引言

在全球數(shù)字化的時(shí)代，三維建模已經(jīng)成為數(shù)字化建設(shè)必不可少的一部分。三維激光掃描儀以精度高、速度快、抗干擾性強(qiáng)的方式作業(yè)，對(duì)物體發(fā)射激光束，獲取大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建?？煽焖龠€原物體真實(shí)面貌，相對(duì)于以往的建模方式，這種逆向工程模式大大降低的了建模成本與作業(yè)時(shí)間。從我國(guó)于二十世紀(jì)90年代激光掃描技術(shù)開始受到重視[1]。如今，小到模具制造、林木形態(tài)研究，大到防洪救災(zāi)、城市規(guī)劃、工程建設(shè)，三維激光掃描技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。

1 工作原理及數(shù)據(jù)處理流程

1.1 工作原理

三維激光掃描儀向被測(cè)對(duì)象物體發(fā)射大量激光束，接受反射信號(hào)，計(jì)算被測(cè)對(duì)象表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，記錄反射率以及紋理等信息，從而得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。而不同的儀器制造商生產(chǎn)的儀器對(duì)于被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)的計(jì)算方式又各不相同，主要分為以下兩種：①脈沖測(cè)距的方法。根據(jù)激光束發(fā)射與接收的時(shí)間差，計(jì)算出儀器與被測(cè)點(diǎn)間的距離，精密時(shí)鐘控制編碼器同時(shí)記錄橫向角度值與縱向角度值，從而解算出每個(gè)點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)值。②相位差測(cè)距的方法。距離值是通過獲取檢測(cè)調(diào)幅光波發(fā)射與接收之間的相位差得到，儀器再記錄橫向角度值與縱向角度值，解算出X，Y，Z坐標(biāo)值[2]。

1.2 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理主要步驟為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、模型構(gòu)建與紋理映射等。其中預(yù)處理包括數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、去噪、精簡(jiǎn)、分割等。流程圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，也稱點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。由于激光掃描儀在單一視角下只能掃描到物體的一部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不能覆蓋整個(gè)空間對(duì)象。所以在為較大對(duì)象（如一個(gè)大型建筑物或者一顆大樹）激光掃描時(shí)，需要從多方位不同視角掃描，也就是需要架設(shè)多個(gè)測(cè)站點(diǎn)，才能把物體掃描完整。每個(gè)測(cè)站點(diǎn)都會(huì)有其獨(dú)立的坐標(biāo)系，要獲得完整的數(shù)據(jù)必須將所有測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，這就需要點(diǎn)云拼接。張慶圓[3]認(rèn)為點(diǎn)云拼接方法主要為標(biāo)靶拼接、點(diǎn)云直接拼接以及控制點(diǎn)拼接三種方法。

①標(biāo)靶拼接是最簡(jiǎn)便的拼接方法，在數(shù)據(jù)掃描時(shí)，兩站點(diǎn)之間的公共區(qū)域內(nèi)放置至少三個(gè)標(biāo)靶，在掃描物體對(duì)象同時(shí)掃描標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依次掃描完所有站點(diǎn)，最后利用不同站點(diǎn)相同的標(biāo)靶數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，值得注意的是，每個(gè)標(biāo)靶必須對(duì)應(yīng)唯一的標(biāo)靶號(hào)，同一標(biāo)靶在不同測(cè)站中的標(biāo)靶號(hào)也必須一致，才能正確完成各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。

②利用點(diǎn)云直接拼接，在掃描物體對(duì)象的兩個(gè)站之間要有一定的重疊度，一般要大于30%，且要有較為明顯的特征點(diǎn)，掃描完成后，尋找重疊區(qū)域的同名點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接。此方法中重疊區(qū)域特征點(diǎn)的確定直接關(guān)系到配準(zhǔn)結(jié)果的好壞，所以要求重疊部分要清晰且要有較多的特征點(diǎn)與特征線。

③控制點(diǎn)拼接是將三維激光掃描儀與定位系統(tǒng)相結(jié)合使用。首先確定公共區(qū)域的控制點(diǎn)，在對(duì)對(duì)象物體掃描的同時(shí)掃描控制點(diǎn)，用定位技術(shù)確定控制點(diǎn)的坐標(biāo)，再以控制點(diǎn)為基準(zhǔn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。此方法優(yōu)點(diǎn)為配準(zhǔn)結(jié)果精度高，缺點(diǎn)為過程相對(duì)復(fù)雜。

2.2 數(shù)據(jù)去噪

在利用三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程中，會(huì)受到掃描設(shè)備、周圍環(huán)境、人為擾動(dòng)甚至掃描對(duì)象表面材質(zhì)的影響，得到的數(shù)據(jù)或多或少存在噪聲點(diǎn)，得到的數(shù)據(jù)不能正確的表達(dá)掃描對(duì)象的空間位置。噪聲點(diǎn)分主要分為三類：①第一類噪聲點(diǎn)是由于物體表面材質(zhì)或者光照環(huán)境導(dǎo)致反射信號(hào)較弱等情況下產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)；②第二類是由于在掃描的過程中，難免有人、車輛或者其他物體從儀器與掃描物體之間經(jīng)過而產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)，這屬于偶然噪聲；③由于測(cè)量設(shè)備自身原因，如掃描儀精度，相機(jī)分辨率等由測(cè)量系統(tǒng)引起的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。

數(shù)據(jù)去噪的方法可根據(jù)不同的情況分為不同的方式，分別為基于有序點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪和基于散亂點(diǎn)云的去噪。

基于有序點(diǎn)云數(shù)據(jù)用平滑濾波去噪法，目前數(shù)據(jù)平滑濾波主要采取的是高斯濾波、均值濾波以及中值濾波。高斯濾波屬于線性平滑濾波，是對(duì)指定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)加權(quán)平均，可以去除高頻信息，其優(yōu)點(diǎn)為能夠在保證去噪質(zhì)量的前提下保留住點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征信息。均值濾波也叫平均濾波，也是一種較為典型的線性濾波，其原理為選擇一定范圍內(nèi)的點(diǎn)求取其平均值來代替其原本的數(shù)據(jù)點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)為算法簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)為去噪的效果較為平均，且不能很好的保留住點(diǎn)云的特征細(xì)節(jié)。中值濾波屬于非線性平滑濾波，其原理是對(duì)某點(diǎn)數(shù)據(jù)相鄰的三個(gè)或以上的數(shù)據(jù)求中值，求取后的結(jié)果取代其原始值，其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)毛刺噪聲的去除有很好效果，而且也能很好的保護(hù)數(shù)據(jù)邊緣特征信息。

基于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪常用的方法為拉普拉斯去噪、平均曲率流方法、雙邊濾波算法。對(duì)于拉普拉斯算法，雖然能夠很好的保證模型的細(xì)節(jié)特征，但是還會(huì)殘存有噪聲點(diǎn)。而雙邊濾波算法雖然能夠很好的去除噪聲點(diǎn)，但是不能夠很好的保留住模型的細(xì)節(jié)特征。平均曲率是依賴于曲率估計(jì)，對(duì)于模型簡(jiǎn)單噪聲點(diǎn)較少的數(shù)據(jù)去噪效果較好，而對(duì)于復(fù)雜且噪聲點(diǎn)多的數(shù)據(jù)，其計(jì)算速度慢且去噪效果較差。

2.3 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)就是在精度允許下減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，提取有效信息。一般分為兩種：去除冗余與抽稀簡(jiǎn)化[4]。

冗余數(shù)據(jù)是指在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后，其重復(fù)區(qū)域的數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大，多為無用數(shù)據(jù)，對(duì)建模的速度以及質(zhì)量有很大影響，對(duì)于這部分?jǐn)?shù)據(jù)要予以去除。抽稀簡(jiǎn)化是指掃描的數(shù)據(jù)密度過大，數(shù)量過多，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)于后期建模用處不大，所以在滿足一定精度以及保持被測(cè)物體幾何特征的前提下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)[5]。以提高數(shù)據(jù)的操作運(yùn)算速度、建模效率以及模型精度。

抽稀簡(jiǎn)化最常用的方法為采樣法，即按照一定規(guī)則對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采樣，保留采樣點(diǎn)，忽略其他點(diǎn)[6]。此方法的優(yōu)點(diǎn)為方法簡(jiǎn)單易行，簡(jiǎn)化速度快，其缺點(diǎn)為其簡(jiǎn)化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布比較均勻，無法針對(duì)邊緣特征的數(shù)據(jù)點(diǎn)充分保留。圖4為去除冗余后的數(shù)據(jù)，圖5為保留其點(diǎn)云特征的前提下抽稀簡(jiǎn)化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)分割

對(duì)于比較復(fù)雜的掃描對(duì)象，如果直接利用所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模，其過程是十分困難的，會(huì)使擬合算法難度增大，三維模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式也會(huì)變得很復(fù)雜。所以對(duì)于復(fù)雜對(duì)象建模之前需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割，分別建模完成后再組合，就是建模過程中“先分割后拼接”的思想，把復(fù)雜數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單化，把龐大數(shù)據(jù)細(xì)分化。

匡小蘭[7]等認(rèn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割應(yīng)該遵守以下準(zhǔn)則：①分塊區(qū)域的特征單一且同一區(qū)域內(nèi)沒有法矢量及曲率的突變。②分割的公共邊盡量便于后續(xù)的拼接。③分塊的個(gè)數(shù)盡量少，可減少后續(xù)的拼接復(fù)雜度。④分割后的每一塊要易于重建幾何模型。

數(shù)據(jù)分割的主要方法有三種，基于邊的分割方法、基于面的分割方法和基于聚類的分割方法。基于邊的分割方法需先尋找出特征線。所謂特征線，也就是特征點(diǎn)所連成的線，目前最常用的提取特征點(diǎn)的方法為基于曲率和法矢量的提取方法，通常認(rèn)為曲率或者法矢量突變的點(diǎn)為特征點(diǎn)，例如拐點(diǎn)或者角點(diǎn)。提取出特征線之后，再對(duì)特征線圍成的區(qū)域進(jìn)行分割?；诿娴姆椒ㄊ且粋€(gè)不斷迭代過程，找到具有相同曲面性質(zhì)的點(diǎn)，將屬于同一基本幾何特征的點(diǎn)集分割到同一區(qū)域，再確定這些點(diǎn)所屬的曲面，最后由相鄰的曲面決定曲面間的邊界。基于聚類的方法就是將相似的幾何特征參數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)分類，可用根據(jù)高斯曲率和平均曲率來求出其幾何特征再聚類，最后根據(jù)所屬類來分割。

3 三維建模

目前，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及建模軟件有很多，如Geomagic、Polyworks、Imageware、Autocad、3dmax等，不同的軟件都有其適用性。如Imageware、Polyworks有用強(qiáng)大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，適用于曲面建模以及較復(fù)雜實(shí)體建模。而Autocad、3dmax等軟件則更適用于較規(guī)則物體建模，3dmax2017中所帶插件Autodesk Recap能識(shí)別大部分點(diǎn)云格式，這也為3dmax建模提供了良好條件。本文首先采用Imageware對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后再利用3dmax對(duì)處理后的數(shù)據(jù)模型重建。

如圖2所示，是經(jīng)過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后帶有RGB值的房屋點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用中海達(dá)三維激光掃描儀掃描所得，數(shù)據(jù)格式為*.rcp格式，數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為396137，數(shù)據(jù)密度大，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。本文首先將rcp格式轉(zhuǎn)換為Imageware所識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，由于數(shù)據(jù)密度過高，為了更直觀的識(shí)別以及減少后期數(shù)據(jù)處理時(shí)間，進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)，本文采用的是均勻采用法對(duì)精簡(jiǎn)，采樣間隔為30，如圖3為精簡(jiǎn)前數(shù)據(jù)，圖4為精簡(jiǎn)后數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)后對(duì)數(shù)據(jù)去噪，本文數(shù)據(jù)噪聲較少，但減少噪聲依然是必不可少的，可提高建模的速度以及精度。如圖5所示為去噪前后局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比。

數(shù)據(jù)預(yù)處理完畢后利用3dmax2017對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模，首先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3dmax軟件中，然后將點(diǎn)云捕捉器打開，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為模板來創(chuàng)建幾何體，利用傳統(tǒng)3dmax建模技術(shù)即可。其建模速度快，精度高。如圖6所示，為3dmax建模后線畫圖，圖7為模型效果圖。

4 結(jié)論

逆向工程已在眾多行業(yè)中得到很好的發(fā)展，基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建模在工程建筑、數(shù)字城市建設(shè)、地下管道建設(shè)、古建筑保護(hù)與重修、林木保護(hù)等方面都能起到關(guān)鍵性作用，本文基于三維激光掃點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模過程中數(shù)據(jù)處理原理、過程以及方法做了詳細(xì)的探討，利用imageware對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，再用3dmax2017對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模，還原房屋真實(shí)模型，結(jié)果表明，對(duì)于較為規(guī)則的建筑物，3dmax的工作建模速度快，效率高。目前來說，三維建模軟件眾多，而且軟件發(fā)展也很迅速，更好更快建模依然追求的目標(biāo)，對(duì)于大部分建模來說，都需要人工手動(dòng)去選著一些有特征點(diǎn)來建模，高精度的特征點(diǎn)自動(dòng)提取，建模將是一個(gè)很好的研究方向。

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