摘要：構建一個基于激光距離探測器的物體表面三維建模與成像系統(tǒng)，通過對運動物體的多次連續(xù)掃描，根據采集到的二維距離信息和掃描儀的運動方程以及轉動姿態(tài)，建立物體表面的三維空間模型。其作為一個PC／104嵌入式系統(tǒng)，可應用于室內物體表面建模，也適用于將掃描儀掛載在車輛或小型無人機等移動平臺上，進行室外地表環(huán)境的三維可視化。

關鍵詞：三維可視化；表面建模；移動平臺；激光測距技術

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—147—03

1 引 言

建立物體的真實三維模型在地學測繪、文物保護、數(shù)字城市、醫(yī)學工程等領域有著廣泛的應用，近十年來，出現(xiàn)了各種各樣的物件表面數(shù)字化方法；根據信息獲取方式的不同，三維信息獲取技術可分為非接觸式獲取和接觸式獲取兩大類。

隨著光電技術，微電子和計算機技術的快速發(fā)展，非接觸式信息獲取技術有著越來越廣闊的應用和發(fā)展。多光譜掃描儀、CCD線陣列掃描、合成孔徑雷達、激光掃描儀等新型傳感器不斷出現(xiàn)，使現(xiàn)代測量技術進入一個能夠動態(tài)，快速，準確提供多種觀測數(shù)據的新階段。

激光測量技術的原理是通過主動發(fā)射激光信號并測量從被測目標反射回來的激光信號，高密度、高精度獲取目標體的數(shù)字距離信息，進而得到目標的幾何信息。

本文采用非接觸激光測距采集物體表面數(shù)據信息，具有簡單、快速、準確的特點。利用激光測距技術得到相對于掃描平面的物體表面的深度信息，與慣性測量元件得到的掃描儀的當前姿態(tài)估計以及掃描儀的運動方程進行坐標的配準和定位，建立物體表面的三維數(shù)字模型并進行成像。系統(tǒng)由嵌入式移動站與基站構成，能靈活方便地應用于各種機／空載激光掃描系統(tǒng)和地面掃描系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)基本構成分為移動站與基站2個部分。

移動站包括慣性測量元件加速度計、陀螺儀、激光掃描儀以及嵌入式PC／104。進行數(shù)據采集，融合濾波并建立目標物體的數(shù)字模型并發(fā)送給基站。圖1所示為移動站的基本結構。

加速度計和陀螺儀是慣性測量元件，能夠測量空間三維的加速度和角速度，用于對移動站進行實時的姿態(tài)估計。因為輸出的是模擬信號，需要通過數(shù)模轉換器ADC與PC／104進行通信。

激光掃描儀選用德國SICK公司的LMS－291型激光測距掃描儀，屬于非接觸式測量系統(tǒng)，他通過發(fā)射激光對其周圍物體進行二維行掃描，并且不需要額外的反射鏡和位置標記。在進行高頻率連續(xù)掃描時，在較短時間內將得到大量的測量數(shù)據，因為常見的RS 232串口通信協(xié)議最高支持通信速率為115 200 Baud／s，為了保持系統(tǒng)掃的描實時性，以及大量數(shù)據通信的完整性，采用RS 422通信標準，使用專門的高速串口通信模塊與PC／104進行通信。

基站由具有圖形顯示的計算機以及數(shù)據接收和三維成像軟件構成，負責接收各種數(shù)據并根據操作進行多角度的三維繪圖。移動站與基站之間搭載無線網絡進行數(shù)據通信。

系統(tǒng)基于PC／104平臺，構建一個小型嵌入式Linux操作系統(tǒng)，能夠滿足小型化、可靠性的需要，具有極佳的擴展性，并能靈活應用于各種車載、機載系統(tǒng)。

3 數(shù)據分析處理

要得到物體的數(shù)字模型，需要建立一個三維直角的當?shù)刈鴺讼?，用來表征目標物體的空間位置以及自身形體等信息。而激光掃描儀進行連續(xù)的行掃描，對于每個掃描點，得到的是基于掃描平面的極坐標距離信息。以掃描儀掃描截面的中線為y軸，逆時針旋轉90°得到x軸，并根據右手法則得到x軸建立機體三維坐標系。設掃描點的極坐標為P(r，θ)，可得到掃描點在機體坐標系中。

由于掃描儀是運動的，在每個掃描時刻，由運動方程可以得到掃描儀在當?shù)刈鴺讼档淖鴺宋恢?，也就是機體坐標系原點在當?shù)刈鴺讼抵械奈恢?。同時，掃描儀可以轉動，每個時刻掃描平面在機體坐標中的空間角，也就是由慣性測量元件計算出來的姿態(tài)角，根據掃描的分辨率和得到通過對運動物體的多次連續(xù)掃描，經過坐標轉換和運動方程配準，可以得到較為連續(xù)的物體表面點在當?shù)刈鴺讼档淖鴺宋恢茫蛇B續(xù)界面輪廓進行重構，建立物體表面的三維數(shù)字模型。最后通過平移、旋轉等坐標變換，從不同觀察點和視角繪出物體表面的3一D效果圖，并且由物體表面各點的反射率進行映射可以得到簡單的具有灰度特征變化的效果圖。

4 三維觀察成像

4.1 觀察流線

系統(tǒng)基站通過無線網絡接受目標物體的數(shù)字模型信息，并進行三維繪圖與成像。

三維視圖的計算機生成步驟類似于拍1張照片的過程。圖3表明了對建模以及將場景的世界坐標描述變換到設備坐標的一般處理步驟。

4.2 網格化與填充著色

通常，將經過預處理的三維點云，按一定拓撲結構聯(lián)結成多邊形網格。將點的信息轉化為面的信息，以更好地描繪出物體形體特征。

常見的多邊形網格的類型是三角形網格和四邊形網格。將散亂的數(shù)據點按一定的拓撲結構，聯(lián)結成多個小的三角形面，或四邊形面。但對于三維空間結構來說如果多邊形的頂點數(shù)多于3個，這些多邊形就有可能不在一個平面上，因此系統(tǒng)采用三角形網格。使用三角形的多邊形小平面來確保任意多邊形的頂點在一個平面上。并且由三角形面可以表現(xiàn)更多的模型細節(jié)，增強繪圖的真實性。目前，有著比較完善理論體系和廣泛應用的是Delaunay三角剖分算法。

在得到物體模型的多變性網格圖后，還需要進一步的填充著色。如果采用n邊形網格，則對每個n邊形面，提取構成多邊形面的各頂點象素值，按頂點數(shù)進行均值化，然后按得到的平均象素值渲染整個多邊形，對其進行填充著色。對整個n邊形網格圖循環(huán)填充，即可得到基于n邊形網格的表面實體圖。

4.3 消隱成像

在對物體模型的三角形網格圖進行填充渲染的時候必須考慮到在不同的觀察點和觀察視角時，構成物體表面的各個三角面之間的相互遮擋隱藏關系，并必須消除所有隱藏面，使得顯示的圖形具有真實感和立體感，并且不會出現(xiàn)“二義性”?？梢娒媾袆e算法，根據其處理場景是直接對物體定義進行處理還是處理他們的投影圖像來分類，分別稱為對象空間算法和圖像空間算法。系統(tǒng)應用中使用圖像空間里的深度緩沖器算法(Z—buffer算法)。

深度緩沖器算法是一個比較常用的判定物體表面可見性的圖像空間算法。其基本思想是：對投影平面上每個象素所對應的表面深度進行比較。由于通常沿著觀察系統(tǒng)的Z軸來計算各物體表面距察平面的深度，因此又稱為z—buffer算法。該算法對場景中的各個物體表面單獨進行處理，且在表面上逐點進行。通常應用于包含多邊形平面的場景。

算法執(zhí)行步驟概括如下：

對構成物體表面模型的每個三角形面，進行上述判斷，循環(huán)完畢可以得到物體表面模型上所有投影后位于屏幕邊界內的點之間的深度與相互遮擋關系。

對某柱狀物體表面進行建模并繪圖，對坐標進行旋轉變換，選定某個觀察點和觀察方向，如圖4所示。圖4中左圖中物體表面某些部分與地面繪圖重疊，得到的圖形失去真實感，而且產生“二義性”，不能確認物體表面的結構。

圖4中右圖是使用消隱算法后的系統(tǒng)輸出圖形，經過可見面的判別，對隱藏面消隱，最終得到了具有真實感的三維效果圖，并且消除了物體形體的“二義性”，能很好地確認物體表面的具體結構。

5 實驗結果與討論

系統(tǒng)掃描范圍120°，行掃描間隔0.5°，掃描頻率37.5 Hz。效果圖如圖5所示。

由效果圖可以看到，系統(tǒng)得到的結果在一定程度上較準確的反映了物體真實模型，并且系統(tǒng)可以實時輸出物體三維模型的點云圖，十分高效便捷，并能從不同角度進行繪圖成像，消隱算法也較成功地表現(xiàn)了物體表面的遮擋隱藏關系。圖5中，物體模型表面灰度值的信息由各點的反射率映射得到，而這跟激光測量的角度及材質光潔度有較大關系，因此系統(tǒng)只是簡單地得到粗略的顏色信息圖，如果要得到物體的真實彩色模型，可以添加攝像頭采集物體的顏色信息進行彩色建模。另外，由于激光測距是基于光的反射原理，因此，對激光束被遮擋的底部在模型細節(jié)上面表現(xiàn)得不是很好。

系統(tǒng)進一步的研究方向是將系統(tǒng)應用于小型無人直升機機載系統(tǒng)，對地表環(huán)境進行三維建模成像，利用GPS定位，以及慣導系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據進行數(shù)據融合與匹配，從不同角度，對同一目標采集多次掃描數(shù)據進行綜合建模，可以有效解決激光束被遮擋失去部分物體細節(jié)以及反射能量出現(xiàn)偏差的問題。