基于三維攝影掃描技術(shù)的幾何檢測研究

張曉婷

摘 ?要：隨著光技術(shù)，機(jī)電技術(shù)還有計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維掃描技術(shù)也迎來了巔峰。我們要了解一個物體的外形和結(jié)構(gòu)，就可以利用三維掃描技術(shù)對它物體空間的外形及結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行掃描。以前想要做到這樣是不可能的，但隨著三維掃描技術(shù)的崛起，這些事情變得觸手可及。它最大的意義在于能夠?qū)ξ矬w的立體信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因為它能直接掃描物體模型，得到它的長寬高等一系列數(shù)據(jù)。不止這些規(guī)則的物體，還有一些幾何物體，通過三維掃描技術(shù)，就可以輕而易舉的得到這些數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維掃描;幾何模型;數(shù)據(jù)分析

一、三維攝影掃描技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

三維攝影掃描技術(shù)的研究在全世界已十分廣泛。在美國，瑞士，法國，加拿大，奧地利，英國等發(fā)達(dá)國家，有幾十家高新技術(shù)公司正在對三維攝影掃描技術(shù)測量進(jìn)行研究。同時也已經(jīng)形成了很多新興產(chǎn)業(yè)，并且有了較大規(guī)模。這些產(chǎn)業(yè)在測量精度，速度測繪作業(yè)等方面已經(jīng)取得了很高的成就。隨著科技的不斷發(fā)展，三維攝影掃描技術(shù)也越來越成熟，在國內(nèi)也運(yùn)用廣泛。在一些塌方事故中，專家們要對塌方的土方量，體積和地形的變化要進(jìn)行測量，這時候三維攝影掃描技術(shù)就派上了用場。在文物考古領(lǐng)域，專家們用三維攝影掃描技術(shù)對文物進(jìn)行掃描，測量文物的數(shù)據(jù)，然后上傳到計算機(jī)上面，進(jìn)行備案，為之后的工作產(chǎn)生了極大的便利。來自斯坦福大學(xué)和華盛頓大學(xué)的三十個學(xué)生，曾經(jīng)利用三維攝影掃描技術(shù)對米開朗琪羅的大衛(wèi)雕像進(jìn)行測量，他們拍攝了三千多張照片，歷時一百工時，才完成了這項浩大的工程。三維攝影掃描技術(shù)能夠?qū)ξ矬w的三維模型，在計算機(jī)上進(jìn)行編輯和移動，在鑒定方面能夠?qū)Ρ?，為鑒定領(lǐng)域提供了技術(shù)支持。

二、三維攝影掃描技術(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理及實現(xiàn)

三維攝影掃描技術(shù)是需要把物體的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行計算，將物體的模型轉(zhuǎn)換成一個個坐標(biāo)。其中主要包括不同餐廳空間直角坐標(biāo)系之間的換算，同時也包括同地心空間直角坐標(biāo)系之間的換算。對于這個問題的研究，國內(nèi)外各個大學(xué)的學(xué)者，付出了巨大的努力，在實驗室里不斷的探索，已經(jīng)建立了多種數(shù)學(xué)模型。

兩個空間直角坐標(biāo)系之間要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，首先要知道坐標(biāo)之間的三個平移參數(shù)，如果坐標(biāo)軸互不平行，那么還存在歐拉角參數(shù)，也就是三個旋轉(zhuǎn)角度的參數(shù)。這些參數(shù)都是不同的，與此同時就涉及到了轉(zhuǎn)換公式。比如說有布爾莎模型，范式公式等等。有了這些參數(shù)，還有這些轉(zhuǎn)換公式，接下來的工作就較為簡單了。只要利用計算機(jī)進(jìn)行簡單的換算，就能很容易的進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

三、點云數(shù)據(jù)的曲面擬合

我們進(jìn)行三維攝影掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集，就要運(yùn)用到點云數(shù)據(jù)這一領(lǐng)域。由于在測量過程中物體偶爾會被其他物體遮擋，所以我們要從多個位置進(jìn)行測量，獲取各個點的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)帶入到空間直角坐標(biāo)系中才能進(jìn)行計算，所以點云數(shù)據(jù)的拼接，在處理數(shù)據(jù)過程中是十分重要的。點云數(shù)據(jù)的曲面擬合工程，在工程、統(tǒng)計和計算機(jī)的圖形處理等方面的應(yīng)用是十分廣泛的。大部分情況下我們進(jìn)行三維攝影技術(shù)掃描，能夠得到一組離散數(shù)據(jù)點，也就是即將在空間直角坐標(biāo)系中用到的坐標(biāo)值。這些坐標(biāo)的數(shù)據(jù)并非一定是對的，而且函數(shù)的表達(dá)式也是一開始不知道的，所以接下來我們要對這些測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合。這些數(shù)據(jù)之間偶爾也會存在誤差，所以并不是需要我們測量所得的所有數(shù)據(jù)，而是只要滿足曲面誤差范圍內(nèi)的一些數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有的技術(shù)手段下，我們會用到最小二乘方法，用這個方法能夠使誤差的平方和最小，同時我們也能得到一個線性方程組，我們對這個線性方程組進(jìn)行求解，就能得到擬合曲面方程。

四、點云數(shù)據(jù)的獲取

本文我們就以一個螺母柱為例子，來說明云數(shù)據(jù)是怎么獲取的。我們首先要用三維攝影掃描技術(shù)對螺母的三個表面進(jìn)行測量掃描。在這個基礎(chǔ)上用專業(yè)的工程軟件進(jìn)行擬合。三維攝影掃描技術(shù)的基本流程是這樣的。首先要將反光劑噴到被測量的物體上，貼標(biāo)志點。第二步我們要貼編碼點，用單反相機(jī)從多個角度進(jìn)行拍攝，然后得到框架數(shù)據(jù)。第三步，我們用三維掃描儀一個一個掃描，才能得到物體完整的云數(shù)據(jù)。第四步，我們用軟件對云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，封裝三角面。最后一步我們用軟件進(jìn)行擬合測量。在這一過程中，由于光學(xué)測量需要用到顯影劑，因此會形成啞光面，所以我們才能進(jìn)行貼標(biāo)志點和編碼點。在這個過程中，點云數(shù)據(jù)的獲取需要分為兩個階段。首先就是進(jìn)行三維攝影階段，第二步就是三維掃描階段。在第一步過程中我們利用像素高分辨率高的攝像機(jī)，對物體多個角度進(jìn)行拍攝，來獲取物體的框架結(jié)構(gòu)。有了這個框架結(jié)構(gòu)，我們就能進(jìn)行掃描來獲得數(shù)據(jù)。三維掃描階段其實就是利用攝影來得到的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，然后把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，最終得到點云數(shù)據(jù)。有了這些數(shù)據(jù)，當(dāng)然要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，美國Geomagic公司的軟件能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。它的功能主要就是篩選不必要的污點雜點，最重要的就是減少噪聲。在不影響模型表面的基礎(chǔ)上，通過這個軟件的處理，能夠減少大部分不必要的數(shù)據(jù)，從而加快處理速度。

五、總結(jié)

三維攝影掃描技術(shù)在幾何檢測領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，它強(qiáng)大的優(yōu)勢，還待進(jìn)一步的開發(fā)利用。在軟件和硬件的開發(fā)應(yīng)用上，我們還需要不斷的研究完善。三維攝影掃描技術(shù)的精確要求是以毫米為精度的，目前我們在進(jìn)行三維攝影掃描時會產(chǎn)生很大的誤差。所以提高獲取數(shù)據(jù)的精度性和可靠性，是三維攝影掃描技術(shù)未來的發(fā)展方向。

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課題項目：遼寧省交通高等?？茖W(xué)校技術(shù)應(yīng)用型科研項目“基于攝影定位的三維掃描技術(shù)開發(fā)”（lnccjyky201910）