張?zhí)炀w

摘 要：簡(jiǎn)單介紹了Cyrax 2500 3D激光掃描儀的工作原理與獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的工作流程及Cyc1one6.0軟件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。詳細(xì)介紹了PolyWorks V11軟件建立三維模型的具體流程及注意事項(xiàng)。文章以遼寧工程技術(shù)大學(xué)圖書(shū)館為例，詳細(xì)論述了獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)和處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)。以小汽車(chē)為例，建立了小汽車(chē)的NURBS曲面模型。

關(guān)鍵詞：3D激光掃描儀；PolyWorks；三維模型；點(diǎn)云數(shù)據(jù)

前言

3D激光掃描技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于許多領(lǐng)域。硬件方面不斷完善，數(shù)據(jù)采集的精度和速度都有了很大提高，出現(xiàn)了不少成熟的商用3D激光掃描硬件系統(tǒng)。在3D激光掃描數(shù)據(jù)處理方面，也出現(xiàn)了許多軟件，如Cyc1one6.0、Geomagic、Imageware、SurfaceStudio、Rapid form、PolyWorks軟件等。3D激光掃描數(shù)據(jù)處理的結(jié)果就是建立3D模型。3D模型分兩種：三角化模型和NURBS曲面模型。

文章研究了1個(gè)案例，案例一是遼寧工程技術(shù)大學(xué)的圖書(shū)館模型，案例二是小汽車(chē)模型。通過(guò)Cyrax 2500 3D激光掃描儀獲取研究目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用 PolyWorks V11軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊、合并、生成三角化模型、三角化模型漏洞修補(bǔ)和優(yōu)化等，最后生成NURBS曲面模型。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 Cyrax 2500 3D激光掃描儀的工作原理

Cyrax 2500 3D激光掃描儀內(nèi)部有一個(gè)激光器，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸異面且互相垂直的反光鏡。反光鏡由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，而激光器發(fā)射的窄束激光脈沖在反光鏡作用下，沿縱向和橫向依次掃過(guò)被測(cè)區(qū)域。激光脈沖被物體漫反射后，一部分能量被3D激光掃描儀接收，如圖1。測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，可以計(jì)算出儀器和物體間的距離S。同時(shí)測(cè)量每個(gè)激光脈沖與儀器固有坐標(biāo)系X軸的夾角α，XOY面的夾角θ，可以算出被測(cè)物體表面點(diǎn)的3D坐標(biāo)。掃描點(diǎn)繪制在屏幕上，組成密集的點(diǎn)云。

1.2 Cyrax 2500 3D激光掃描儀的工作流程

由于激光掃描儀本身的限制，我們每次掃描只能得到場(chǎng)景局部的數(shù)據(jù)。為了得到一個(gè)場(chǎng)景完整的3D數(shù)據(jù)，我們往往需要從不同的位置和不同的角度多次掃描該場(chǎng)景。相鄰兩站的掃描數(shù)據(jù)應(yīng)該有重合的部分，重疊部分應(yīng)該占整個(gè)圖像的20%-30%為最佳。

文章利用Cyrax 2500 3D激光掃描儀獲取遼寧工程技術(shù)大學(xué)圖書(shū)館的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在距離圖書(shū)館30m的前方，設(shè)置兩站，每站又從不同角度共進(jìn)行四次分景掃描。掃描儀根據(jù)軟件環(huán)境中設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行掃描。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 在PolyWorks V11中建模

2.1.1 對(duì)齊數(shù)據(jù)

對(duì)齊模塊中，有兩種對(duì)齊方式：一點(diǎn)對(duì)齊和n點(diǎn)對(duì)齊。如果圖形復(fù)雜就應(yīng)該采用n點(diǎn)對(duì)齊方式，以提高對(duì)齊的精度。本論文的兩個(gè)案例都是采用n點(diǎn)對(duì)齊，點(diǎn)對(duì)越多對(duì)齊越精確也就需要越多的時(shí)間。當(dāng)所有圖片都輸入后，還要進(jìn)行最佳擬合對(duì)齊，總體上最小化對(duì)齊誤差。

2.1.2 生成三角化模型

當(dāng)分塊數(shù)據(jù)對(duì)齊后，需要將其合并成一個(gè)整體以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的完備性、方便后續(xù)應(yīng)用。在合并模塊中設(shè)置相關(guān)參數(shù)（最大距離、采樣步長(zhǎng)、平滑半徑、內(nèi)存大小等）來(lái)生成一個(gè)三角化模型。以上參數(shù)的確定非常重要，直接影響到所生成的三角化模型的質(zhì)量。一般情況下那些參數(shù)值由對(duì)齊模塊傳入的，也可以根據(jù)用戶(hù)的經(jīng)驗(yàn)與要求來(lái)自己設(shè)置。生成三角化模型的同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步篩選。

2.1.3 改進(jìn)三角化模型

在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)齊、合并建網(wǎng)之后，往往還需要改進(jìn)三角化模型，諸如刪除拓?fù)溴e(cuò)誤、填補(bǔ)漏洞、簡(jiǎn)化壓縮等后處理操作。一般的拓?fù)溴e(cuò)誤可以通過(guò)軟件自動(dòng)檢測(cè)并刪除。

三角化模型上出現(xiàn)的漏洞需要將其補(bǔ)出來(lái)。補(bǔ)洞是最耗費(fèi)時(shí)間與精力的一項(xiàng)工作，要想將所有漏洞都完美的補(bǔ)出來(lái)就要有耐心一點(diǎn)一點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。簡(jiǎn)單的漏洞可以選擇自動(dòng)補(bǔ)洞方式或手動(dòng)補(bǔ)洞方式來(lái)完成。復(fù)雜點(diǎn)的漏洞就需要很多人工干預(yù)才可以補(bǔ)好，如補(bǔ)洞的區(qū)域是一個(gè)曲面，用自動(dòng)或手動(dòng)補(bǔ)洞都不能很好的填補(bǔ)漏洞。這就需要在漏洞區(qū)域錨定一個(gè)m行n列的曲面來(lái)填補(bǔ)該漏洞。在補(bǔ)洞之后往往跟隨著優(yōu)化網(wǎng)格、光順頂點(diǎn)等操作，來(lái)提高三角化模型的質(zhì)量。

2.1.4 生成NURBS曲面模型

NURBS（非有理B樣條）是用于計(jì)算機(jī)圖形描述復(fù)雜對(duì)象的曲線(xiàn)或曲面。首先，在三角化模型上擬合曲線(xiàn)網(wǎng)格，然后基于曲線(xiàn)網(wǎng)格擬合NURBS曲面到三角化模型上。PolyWorks支持T形節(jié)和三角片面，可以在孔洞上建立曲面，這是PolyWorks軟件功能強(qiáng)大的原因之一。一般的建模軟件只是生成三角化模型，而PolyWorks可以生成高質(zhì)量的NURBS曲面模型。

立曲線(xiàn)網(wǎng)格是創(chuàng)建NURBS曲面的第一步。必須抽取模型的邊界曲線(xiàn)來(lái)定義模型的幾何形狀。可以自動(dòng)抽取特征曲線(xiàn)也可以手動(dòng)錨定曲線(xiàn)。當(dāng)曲線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建完，就可以基于曲線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生成NURBS曲面模型。

3 結(jié)束語(yǔ)

PolyWorks是目前市場(chǎng)上最優(yōu)秀的激光掃描和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理集成軟件之一。它能快速和高品質(zhì)地處理由各種各樣的3D掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。文章提供了一種利用PolyWorks軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并建立NURBS曲面模型的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]李強(qiáng)，王紅梅.實(shí)物反求工程中的模型重建技術(shù)[J].機(jī)械制造與研究，2003（4）：17-20.

[2]成思源，余國(guó)鑫，張湘?zhèn)?逆向系統(tǒng)曲面模型重建方法研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008，14（10）：1934-1938.

[3]馬立廣.地面3D激光掃描儀的分類(lèi)與應(yīng)用[J].地理空間信息，2005，

3（3）：60-62.