三維激光倒置掃描關(guān)鍵技術(shù)研究

張志鵬，邵學(xué)君，龐 慶

三維激光倒置掃描關(guān)鍵技術(shù)研究

張志鵬，邵學(xué)君，龐 慶

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

對(duì)比常規(guī)三維激光正置掃描技術(shù)，研究了三維激光倒置掃描關(guān)鍵技術(shù)。研究倒置掃描入射角技術(shù)，確定了硬件三腳架倒置安裝條件，滿足合理的掃描入射角，達(dá)到點(diǎn)云的較好采集效果。在軟件方面研究了高效自動(dòng)去除噪點(diǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)倒置掃描噪點(diǎn)的自動(dòng)高效去除。通過(guò)試驗(yàn)比較，采用三維激光倒置掃描關(guān)鍵技術(shù)，能夠較好實(shí)現(xiàn)倒置掃描且掃描效果較好，降低了現(xiàn)場(chǎng)工作強(qiáng)度，提高了工作效率，拓展了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，為采用倒置掃描技術(shù)、自動(dòng)高效噪點(diǎn)處理技術(shù)等方面提供參考，同時(shí)，也為紅外技術(shù)在圖像融合、影像信息識(shí)別、圖像降噪等方面提供借鑒。

三維激光；倒置掃描；點(diǎn)云；噪點(diǎn)；紅外技術(shù)

0 引言

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)[1]，以非接觸、快速掃描、獲取信息量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自動(dòng)化測(cè)量等特點(diǎn)逐漸在工程測(cè)量、文物保護(hù)、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[2-3]。測(cè)量過(guò)程一般采用正置的掃描方式。隨著三維掃描技術(shù)應(yīng)用的拓展，在對(duì)一些以鐵路罐車為代表的大型容器掃描時(shí)，發(fā)現(xiàn)正置掃描方式難以滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。正置掃描方式需要操作人員進(jìn)入容器內(nèi)，而容器內(nèi)常常含氧量不足，有毒、有害、腐蝕介質(zhì)會(huì)對(duì)人身安全造成危害，如不進(jìn)入容器內(nèi)掃描則需要多次移站掃描，多次移站掃描一方面耗時(shí)效率低，同時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地限制，另一方面后續(xù)海量點(diǎn)云拼接等處理耗時(shí)且效果不好。倒置掃描技術(shù)憑借其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大。倒置掃描無(wú)需操作人員進(jìn)入容器內(nèi)，人員安全有保障，一站掃描，不受外界場(chǎng)地等影響，現(xiàn)場(chǎng)工作量小且工作效率高，點(diǎn)云質(zhì)量相對(duì)高，后續(xù)點(diǎn)云處理快速高效。目前，倒置掃描技術(shù)在國(guó)內(nèi)外研究較少，為了解決以上迫切需求，開(kāi)展了三維激光倒置掃描關(guān)鍵技術(shù)研究，通過(guò)研究設(shè)計(jì)倒置掃描硬件入射角關(guān)鍵技術(shù)和軟件自動(dòng)高效快速去噪關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維激光倒置掃描。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)采用激光測(cè)距技術(shù)和精密分度技術(shù)，用激光作為光源進(jìn)行高速電子測(cè)距，水平方向按照預(yù)定分度緩慢旋轉(zhuǎn)，垂直方向按照預(yù)定分度高速旋轉(zhuǎn)，接收器接收反射回來(lái)的激光，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象三維掃描，掃描示意圖如圖1所示。三維激光掃描獲取高準(zhǔn)確度、高密度的(,,)三維坐標(biāo)點(diǎn)云[4-5]，通過(guò)將海量點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)、合并、去雜、平滑、數(shù)據(jù)分割、三維變換[6-8]，并將經(jīng)過(guò)以上處理的點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、模型構(gòu)建等[9-10]，最終形成由點(diǎn)云組成的被掃描對(duì)象的數(shù)據(jù)模型，依據(jù)該數(shù)據(jù)模型進(jìn)行相關(guān)后期計(jì)算處理[11-12]，具體流程如圖2所示。

圖1 正置掃描示意圖

圖2 三維激光掃描流程圖

2 倒置掃描硬件關(guān)鍵技術(shù)

倒置掃描硬件除三維激光掃描儀具備倒置補(bǔ)償功能、三腳架具備倒置使用功能外，主要考慮掃描儀倒置后采集點(diǎn)云的質(zhì)量問(wèn)題，在此主要考慮掃描入射角問(wèn)題，倒置掃描示意圖如圖3所示。

當(dāng)三維激光掃描儀激光發(fā)射器發(fā)射出激光到達(dá)被掃描對(duì)象表面時(shí)會(huì)發(fā)生漫反射[13]，其中一部分激光會(huì)經(jīng)掃描對(duì)象表面反射后回到掃描儀激光接收器[14-15]。能否有效反射回掃描儀激光接收器直接影響掃描效果。我們?cè)谘芯繒r(shí)注意到，當(dāng)激光發(fā)射光軸與目標(biāo)漫反射面法線重合時(shí)，主要反射能量集中在一定角度區(qū)域內(nèi)，相比較之下，發(fā)射的激光束越傾斜、發(fā)射的距離將會(huì)越遠(yuǎn)、發(fā)射的激光能量也將會(huì)越弱，直接導(dǎo)致激光接收器接收到反饋回來(lái)的激光能量衰減，甚至沒(méi)有到達(dá)接收器能量已消耗殆盡，從而導(dǎo)致掃描儀能識(shí)別的點(diǎn)云較少，反映在點(diǎn)云圖上就是黑洞和噪點(diǎn)。我們開(kāi)展大量試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，針對(duì)同一掃描對(duì)象得到截然不同的掃描效果，如圖4所示，左側(cè)掃描點(diǎn)云由于沒(méi)有合理設(shè)置入射角導(dǎo)致點(diǎn)云缺失嚴(yán)重，右側(cè)掃描點(diǎn)云在合理設(shè)置入射角后，對(duì)應(yīng)位置沒(méi)有出現(xiàn)相似的情況且點(diǎn)云效果良好。

圖3 倒置掃描示意圖

圖4 掃描點(diǎn)云對(duì)比圖

通過(guò)調(diào)整三維激光掃描儀與被掃描對(duì)象之間的位置關(guān)系，避免出現(xiàn)不合理的入射角。以鐵路罐車（箱）為例，在掃描過(guò)程中調(diào)整三腳架安裝條件，即通過(guò)調(diào)整三腳架的位置和中軸的長(zhǎng)度使得三維激光掃描儀倒置后在軸、軸、軸方向發(fā)生變換，實(shí)現(xiàn)合理的掃描入射角。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，我們研究得到，對(duì)于一定功率的發(fā)射激光，在激光束與被掃描對(duì)象的夾角保持35°入射角掃描時(shí)，掃描效果較好，所以在倒置掃描時(shí)，需要確定三腳架的固定位置以及調(diào)整中軸長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)在條件最苛刻的位置倒置掃描入射角滿足35°。以25°入射角、以35°入射角、以45°入射角為例，掃描標(biāo)靶點(diǎn)云效果如圖5所示，相比圖(a)25°入射角掃描標(biāo)靶點(diǎn)云和圖(c)45°入射角掃描標(biāo)靶點(diǎn)云，圖(b)35°入射角掃描標(biāo)靶點(diǎn)云效果較好。

圖5 不同入射角掃描點(diǎn)云效果

3 倒置掃描軟件關(guān)鍵技術(shù)

常規(guī)的點(diǎn)云處理過(guò)程需要大量人工參與、步驟繁瑣、工作量大[16-17]，倒置掃描軟件關(guān)鍵技術(shù)主要針對(duì)倒置掃描實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高效快速去噪處理。

首先，倒置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于倒置掃描，掃描的點(diǎn)云圖與正常視覺(jué)正好相反，需要將倒置的點(diǎn)云翻轉(zhuǎn)，采用圍繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的復(fù)合來(lái)表示旋轉(zhuǎn)。沿著坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)180°，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的正置。

繞軸旋轉(zhuǎn)的矩陣表示式如(1)所示：

式中：表示指定的旋轉(zhuǎn)角。

其次，去除孤立的噪點(diǎn)。由于三維激光掃描的軌跡是基于螺旋式的激光點(diǎn)高速往返完成的，我們?cè)O(shè)置一站內(nèi)的掃描對(duì)象一般為連續(xù)過(guò)渡且可見(jiàn)，所以在一條掃描的螺旋線軌跡上的任何相鄰的若干個(gè)點(diǎn)云(,,)之間都應(yīng)有較強(qiáng)的一致性。即點(diǎn)云按照、、方向排列具有一致性，該一致性基于掃描設(shè)置的參數(shù)和掃描精度而確定，在對(duì)點(diǎn)云處理時(shí)，首先，按照順序依次查看三維空間中有點(diǎn)云的部位，記錄有點(diǎn)云部位并劃分為不同的點(diǎn)云集合{1,2,3,4,5,6,7,…}，在不同的點(diǎn)云集合中依次以點(diǎn)云為中心，向周圍擴(kuò)展并查看其周圍點(diǎn)云部位坐標(biāo)(,,)，判斷是否存在、、方向排列一致性，這樣直到查看完所有劃分的點(diǎn)云部位和點(diǎn)云集合{1,2,3,4,5,6,7,…}，從而可以有效剔除非連續(xù)的內(nèi)部和外部的孤立的噪點(diǎn)，如圖6所示為存在噪點(diǎn)的點(diǎn)云圖，圖(a)為外部非連續(xù)的孤立噪點(diǎn)，圖(b)為內(nèi)部非連續(xù)的孤立噪點(diǎn)。

最后，主要去除點(diǎn)云貼合較為緊密的噪點(diǎn)即對(duì)較厚的點(diǎn)云“墻”進(jìn)行“瘦身”。依據(jù)上一步對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)域劃分后形成的點(diǎn)云集合{1,2,3,4,5,6,7,…}，對(duì)每個(gè)集合的邊緣數(shù)據(jù)(,,)進(jìn)行比較分析，由于點(diǎn)云一致性的特點(diǎn)，通過(guò)逐項(xiàng)計(jì)算區(qū)域內(nèi)、、直到n、n、n，從而可以確定該區(qū)域?qū)嶋H物體的走向±、±、±，按照走向我們?cè)O(shè)定前后±、左右±、上下±三維的變化，預(yù)設(shè)點(diǎn)云前后、左右、上下三維閾值范圍為，∈[min,max]，其中min為點(diǎn)云集內(nèi)點(diǎn)云前后、左右、上下最小值，max點(diǎn)云集內(nèi)點(diǎn)云前后、左右、上下最大值。通過(guò)∈[min,max]將點(diǎn)云集合內(nèi)有效點(diǎn)云進(jìn)行確定，然后在該三維范圍內(nèi)分別對(duì)、、在同一坐標(biāo)的前后、左右、上下計(jì)算其平均值A(chǔ)、A、A，在該點(diǎn)云集合內(nèi)按照A、A、A結(jié)合實(shí)際物體走向生成一個(gè)較薄的點(diǎn)云層，該點(diǎn)云層經(jīng)過(guò)處理后的“薄”點(diǎn)云，去除了噪點(diǎn)，掃描點(diǎn)云更接近掃描真實(shí)結(jié)構(gòu)。通過(guò)以上操作實(shí)現(xiàn)了噪點(diǎn)的有效處理，獲取了較好點(diǎn)云模型，如圖7所示去噪前后對(duì)比圖，圖(a)為去噪前較厚的點(diǎn)云，圖(b)為去噪后較薄的點(diǎn)云。

圖6 存在噪點(diǎn)的點(diǎn)云

圖7 噪點(diǎn)比較圖

4 試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)同一掃描對(duì)象進(jìn)行比較試驗(yàn)，圖8為采用正置掃描后采集的點(diǎn)云圖，掃描過(guò)程移站5次。圖9為采用倒置掃描后采集到的點(diǎn)云圖，掃描過(guò)程中確定好三腳架倒置的位置，然后將中軸長(zhǎng)度調(diào)整為1.2m，滿足入射角35°的要求。掃描獲取點(diǎn)云后，采用新方法進(jìn)行點(diǎn)云噪點(diǎn)處理，最終得到處理好的點(diǎn)云圖。通過(guò)試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，在點(diǎn)云采集階段，正置掃描需要移站5次，需要尋找特征對(duì)象，耗時(shí)45min。倒置掃描僅需掃描1站，用時(shí)4min。相比較可知，正置掃描工作量是倒置掃描的5倍、耗時(shí)11倍。在點(diǎn)云處理方面，正置掃描需要拼站且點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大，通用軟件處理耗時(shí)約50min，對(duì)于噪點(diǎn)處理需要大量的人工處理且效果不理想，最終的點(diǎn)云圖與實(shí)際結(jié)構(gòu)誤差大，而采用倒置掃描軟件技術(shù)，點(diǎn)云無(wú)需拼接，點(diǎn)云量小，處理速度快，自動(dòng)高效去除噪點(diǎn)，最終的點(diǎn)云圖效果較好且與實(shí)際結(jié)構(gòu)誤差小。

圖8 正置掃描點(diǎn)云圖

圖9 倒置掃描點(diǎn)云圖

采用倒置掃描技術(shù)處理后的點(diǎn)云效果如圖10所示，點(diǎn)云效果較好，為后續(xù)計(jì)算奠定較好的基礎(chǔ)。

圖10 去噪后的點(diǎn)云圖

5 結(jié)論

通過(guò)研究三維激光倒置掃描硬件、軟件關(guān)鍵技術(shù)，較好實(shí)現(xiàn)了三維激光準(zhǔn)確、快速倒置掃描，試驗(yàn)表明采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，可自動(dòng)高效去除噪點(diǎn)，極大地降低了現(xiàn)場(chǎng)工作強(qiáng)度，提高了工作效率，促進(jìn)了三維激光掃描技術(shù)的推廣應(yīng)用，為紅外技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和降噪等方面提供借鑒，具有較好的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。

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Research on the Key Technology of 3D Laser Inverted Scanning

ZHANG Zhipeng，SHAO Xuejun，PANG Qing

(,100081,)

The key technologies of 3D laser inverted scanning are mainly studied through the introduction of conventional 3D laser positive scanning technology. The inverted scanning incident angle technology was researched, and the hardware tripod inverted installation conditions were determined to attain a reasonable scanning incident angle and achieve a good acquisition effect of point clouds. On the software side, the technology of efficient and automatic noise removal was examined to realize the automatic and efficient removal of noise in inverted scanning. Through experimental comparison, the key technology of 3D laser inversion scanning can be used to achieve better inversion scanning and scanning results. Moreover, it can be used to reduce the intensity of work, improve work efficiency, and expand the application field of 3D laser scanning. The application fields of 3D laser scanning technology have expanded, and can be used as a reference in the application of inverted scanning technology, automatic and high-efficiency noise processing technology, and so on. Furthermore, this method provides a reference for infrared technology in image fusion, image information recognition, image noise reduction, and so on.

3D laser, inverted scanning, point clouds, noise point, infrared technology

TP391

A

1001-8891(2021)08-0752-05

2020-07-08；

2021-07-30.

張志鵬（1982 -），男，內(nèi)蒙古巴盟人，副研究員，碩士，主要從事鐵路三維激光掃描技術(shù)研究，E-mail：zhangzp@rails.cn。

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2016D001-C）。