基于激光掃描技術(shù)的三維模型重建

劉友芹++岳文朝

摘 要：現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達(dá)，先進(jìn)的技術(shù)在不斷改變著我們的生活和生產(chǎn)方式。尤其是電腦計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了很多的辦公軟件，這樣極大方便了我們的生活?，F(xiàn)在的三維激光掃描的技術(shù)很方便，在建模的時(shí)候用這個(gè)技術(shù)極大幫助我們?cè)诠I(yè)測(cè)量或者是文物的修復(fù)上面。本文分析了三維激光的掃描系統(tǒng)作業(yè)的過程，通過點(diǎn)云的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，得到建筑物的信息參數(shù)，之后再構(gòu)建三維的模型，這樣就進(jìn)行了建筑物的建模。

關(guān)鍵詞：激光掃描技術(shù) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理 三維建模

中圖分類號(hào)：TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（c）-0087-02

現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)十分發(fā)達(dá)，先進(jìn)的技術(shù)和儀器設(shè)備改變了我們的生活。在工作中也越來越離不開這些先進(jìn)的技術(shù)了。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，讓我們?cè)诳臻g信息的獲取上有了新的突破?，F(xiàn)在得到的空間信息，很大程度上是依靠三維激光掃描技術(shù)。從20世紀(jì)80年代開始，就有了激光的測(cè)量技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如方向更準(zhǔn)確、亮度更高，所以受到青睞。技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，以后大家已經(jīng)不能滿足于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式了。所以，后來人們繼續(xù)研究，發(fā)展到了能夠獲得很多采樣點(diǎn)的三維空間的坐標(biāo)，這就是通過三維激光掃描來實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)技術(shù)現(xiàn)在也是一種實(shí)景的復(fù)制技術(shù)。它的問世，引發(fā)了測(cè)繪行業(yè)的技術(shù)革命。因?yàn)樗淖兞艘郧暗膯吸c(diǎn)測(cè)量的模式，實(shí)現(xiàn)了三維圖形的繪制。這項(xiàng)技術(shù)從20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用，現(xiàn)在在空間位置的采集上面有重要的作用，更快、更方便，并且更準(zhǔn)確。

1 三維激光掃描的工作原理

三維激光掃描儀是一種非常快的測(cè)量的系統(tǒng)，主要包括激光的測(cè)距儀，還有相關(guān)測(cè)量角度的系統(tǒng)組成等。這個(gè)儀器能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況，通過對(duì)空間里面的物體進(jìn)行快速大掃描，就能夠得到一些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是通過激光的點(diǎn)進(jìn)行接觸，包括水平的方向，還有豎直的方向，測(cè)量好了數(shù)據(jù)就能夠自動(dòng)儲(chǔ)存起來。經(jīng)過進(jìn)一步的計(jì)算，知道了點(diǎn)云的數(shù)據(jù)。這個(gè)儀器特別強(qiáng)大，最遠(yuǎn)能夠測(cè)量千米以外的物體，而且它的工作頻率1s能夠達(dá)到幾十萬次，這是十分驚人的。它在豎直方向上面可以達(dá)到90度。在垂直于豎直方向的平面上，能夠進(jìn)行360度的旋轉(zhuǎn)。所以，掃描的范圍很大。掃描以后，數(shù)據(jù)通過TCPhP協(xié)議進(jìn)行上傳，進(jìn)入到計(jì)算機(jī)里面。還有一些相機(jī)拍攝的圖片，我們可以把存儲(chǔ)卡里面的圖片傳播到電腦里面。計(jì)算機(jī)把測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理以后，就可以用畫圖工具進(jìn)行畫圖了。建筑物的三維模型就能夠出來了。三維坐標(biāo)就是由XYZ軸組成的，其中X和Y軸在一個(gè)平面里，互相垂直，Z軸垂直于這個(gè)平面。

在一個(gè)三維的激光掃描系統(tǒng)里面主要有三部分，掃描儀、計(jì)算機(jī)，還有一些供電的電源。我們說的激光掃描儀，帶有激光的測(cè)量距離大系統(tǒng)，還有激光的掃描儀器，這些系統(tǒng)自己就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制還有校正處理。儀器里面有兩個(gè)反射鏡子，能夠同時(shí)工作，它們?cè)诠ぷ鞯臅r(shí)候不停地旋轉(zhuǎn)，這樣，就把脈沖發(fā)射出去的激光掃描出來了，這些激光脈沖從發(fā)射到返回是有一定的時(shí)間的。計(jì)算這個(gè)時(shí)間，然后通過一定的公式就能計(jì)算出物體表面的距離。掃描儀里面有一定的編碼器，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。通過測(cè)量激光脈沖在橫向上和豎直方向上進(jìn)行掃描時(shí)候的角度，就能夠得到被測(cè)的云點(diǎn)的三維坐標(biāo)。激光掃描系統(tǒng)里面不僅能夠得到角度和距離，還能夠得到一些反射強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，這樣就能夠給那些反射的點(diǎn)進(jìn)行顏色的配比了。有時(shí)候，就要把公共的點(diǎn)也應(yīng)用起來，因?yàn)樵诓煌恼军c(diǎn)時(shí)候，需要變換數(shù)據(jù)。這樣，就能夠把不同站點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)放到一個(gè)坐標(biāo)里面去。對(duì)待公共的點(diǎn)，通常用球形的目標(biāo)，而那些點(diǎn)云的數(shù)據(jù)，就通過特殊的合適保存在電腦里。所以，購買軟件的時(shí)候，就要一起購買匹配的讀取軟件。這里，OPTEC的ILRIS一3D，Cyrax 2500的yclone和LMS-Z420都是很好的數(shù)據(jù)處理軟件。它們都能進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量和處理還有三維建模等。

2 建模過程

2.1 數(shù)據(jù)獲取

從空間采集數(shù)據(jù)是一項(xiàng)專業(yè)性非常強(qiáng)的工作?，F(xiàn)在的激光掃描非常先進(jìn)，能夠準(zhǔn)確得到三維空間里的點(diǎn)集。我們之前就使用過軟件平臺(tái)PdSCAN PRO，通過控制RIEGL里面的三維激光掃描儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某個(gè)建筑物的掃描，并且我們用了一切能夠使用的技術(shù)，得到最佳的信息。我們把采集到的點(diǎn)進(jìn)行繪制，在一個(gè)坐標(biāo)系里集合起來。這樣我們就得到了一系列的點(diǎn)云。

2.2 數(shù)據(jù)處理

我們對(duì)采集到的數(shù)據(jù)要進(jìn)行合理的處理，這就包括對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行一些有關(guān)信息的提取還有去噪聲。有些識(shí)別方面不是很對(duì)，也要進(jìn)行改正。這時(shí)候，我們需要注意，我們不光要弄清楚建筑物里面的數(shù)據(jù)，也要把建筑物周圍進(jìn)行研究和分析，這些數(shù)據(jù)也要得到。只有這樣才能把建筑物從周圍環(huán)境里面提取出來，方便我們以后的工作。所以，要用合適的分離辦法進(jìn)行提取數(shù)據(jù)的工作。有些數(shù)值比儀器的高度小。那么我們就把這些數(shù)看成是地形的點(diǎn)。反之，就看成是地物的點(diǎn)。一定要進(jìn)行數(shù)據(jù)的去噪聲。只有這樣才能把建筑物附近的遮擋物去掉，讓我們看到建筑物本來的面貌。我們現(xiàn)在主要用軟件RISCAN PRO做去噪聲的工作。這時(shí)候，我們就要根據(jù)激光掃描的情況去辨別了?？纯椿貋頃r(shí)候的信號(hào)是大是小，要是比標(biāo)準(zhǔn)值小的話，這個(gè)值就是沒有意義的。這時(shí)候就要進(jìn)行過濾，去除那些不正常的值。在有必要的時(shí)候，我們也會(huì)利用曲面擬合的辦法，這樣把那些遮擋物的數(shù)據(jù)去除掉。我們就是用得到的特殊的點(diǎn)和特殊的面去構(gòu)建建筑物的平面圖。

2.3 三維建模

三維建模是很重要的一步，上面的工作完成以后，就要進(jìn)行三維建模了。主要是通過重新采樣還有相互拼接和匹配去完成三維空間的建模。

在重新采樣上面，我們就是在一定的全局，把控建筑物的總體情況，把原來的數(shù)據(jù)拆開，重新采取數(shù)據(jù)。這樣，我們就能夠得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可以讓我們更加了解建筑物的情況。進(jìn)行重新采樣的時(shí)候，具體的工作順序是，先進(jìn)行掃描，這樣就得到了很多分段的曲線。這些曲線，從上面到下面，依次進(jìn)行二次的擬合。這樣就可以得到很清晰的距離圖像了。然后我們繼續(xù)工作，進(jìn)行檢驗(yàn)，主要是查看深度，還有擬合的那些點(diǎn)在方向上面是不是連續(xù)的，如果是連續(xù)的，那么就生成邊緣的映射圖像。這樣進(jìn)一步工作，就能夠得到三維圖像的邊緣。充分利用二維碼的網(wǎng)格，這樣，通過那些鏈接我們就知道了不同的邊緣鏈接。通過這些不同的邊緣上面的鏈接，就可以看到哪些是拐點(diǎn)。所以，繼續(xù)工作，把那些長(zhǎng)度較小的邊緣鏈接去掉，留下合適長(zhǎng)度的邊緣鏈接。這時(shí)候，要看用戶的需求，把距離上的圖像進(jìn)行等分。每一個(gè)小的圖像之間會(huì)有一些重疊的部分。這樣是為了進(jìn)行我們的重新采樣工作。完成重新采樣工作以后，就把這些不同坐標(biāo)系里面的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，放到一個(gè)坐標(biāo)系里面，從而形成了一個(gè)立體的模型。為了使圖像的效果更好，我們可以使用RISCAN PRO軟件中的紋理映射功能。紋理映射功能就能夠把那些數(shù)據(jù)充分展現(xiàn)在模型里面。在這個(gè)工具里面，就有了不同的坐標(biāo)的位移，還有法向量等。進(jìn)行紋理映射功能就是要先找到紋理的特點(diǎn)，然后形成合適的特征圖像，同時(shí)把這個(gè)圖像和三維建模里面的映射建立一種關(guān)系，從而可以把映射到模型進(jìn)行運(yùn)算。

3 結(jié)語

綜上所述，我們知道了激光掃描技術(shù)能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行三維模型的建立，極大方便了我們的工作。

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