王呂梁+郭唐永+李世鵬+朱威+王磊

摘 要：三維激光測(cè)繪已廣泛應(yīng)用于城市測(cè)繪中，機(jī)載三維激光掃描儀是當(dāng)前測(cè)繪領(lǐng)域的一個(gè)新標(biāo)桿，但大部分技術(shù)仍由國(guó)外壟斷，研發(fā)機(jī)載三維激光掃描儀和相配套的軟件尤為必要。機(jī)載三維激光掃描儀研制需要從硬件和軟件兩個(gè)部分著手，從掃描儀得到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過(guò)相應(yīng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)作后期處理，設(shè)計(jì)出友好的交互界面，展現(xiàn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光掃描儀； 點(diǎn)云； 三維重構(gòu)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162060

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2016）012-0087-02

0 引言

機(jī)載三維激光測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)前沿性研究課題[1]。機(jī)載三維激光掃描儀具有很多傳統(tǒng)測(cè)繪儀器無(wú)法比擬的優(yōu)越性，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[2]，如地形測(cè)繪、災(zāi)害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林?jǐn)?shù)字高程圖獲取、城市三維建模等，還應(yīng)用于工程建設(shè)、逆向工程、電線管道布局、3D打印等領(lǐng)域。我國(guó)大部分激光掃描儀主要靠國(guó)外公司提供相關(guān)技術(shù)支持。研制出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)載三維激光掃描儀具有重要意義。本文以掃描儀系統(tǒng)硬件為出發(fā)點(diǎn)，介紹硬件系統(tǒng)架構(gòu)及其技術(shù)難點(diǎn)，針對(duì)硬件特點(diǎn)分析軟件功能需求，最后利用點(diǎn)云庫(kù)完成軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.1 硬件架構(gòu)分析

本系統(tǒng)分為儀器和軟件兩個(gè)部分。儀器設(shè)計(jì)需滿足測(cè)量要求，實(shí)現(xiàn)高速精準(zhǔn)掃描、全波段數(shù)據(jù)采集，具有效率高、可靠性好、便于維護(hù)等特點(diǎn)。儀器系統(tǒng)主要由6個(gè)部分組成，即激光發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)掃描鏡與收發(fā)光路系統(tǒng)、高精度時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)、高精度頻率源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 儀器功能實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)的核心為掃描鏡收發(fā)光路系統(tǒng)、高精度時(shí)間測(cè)量與控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[4]。收發(fā)光路系統(tǒng)主要包括卡塞格林望遠(yuǎn)鏡、變焦擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、窄帶光濾波等。由于激光的單色性較好，主要對(duì)藍(lán)綠光波進(jìn)行接收，采用可變?cè)鲆娴腜MT光電倍增管，實(shí)現(xiàn)100dB的動(dòng)態(tài)接收范圍，確保能夠接收到微弱的回波信號(hào)。

掃描儀測(cè)距由一個(gè)高精度時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用FPGA搭建控制電路來(lái)控制時(shí)間脈沖觸發(fā)，采用先進(jìn)的時(shí)間頻率測(cè)控技術(shù)馴服高穩(wěn)定度的銣原子鐘，將高穩(wěn)定度、低相噪雙槽恒溫晶振鎖定在銣原子鐘上，將GPS衛(wèi)星的長(zhǎng)期穩(wěn)定性原子頻標(biāo)的中期穩(wěn)定性與高穩(wěn)晶振的短期穩(wěn)定性完美結(jié)合，使采樣頻率同步在GPS原子鐘信號(hào)上，保證激光掃描儀的探測(cè)精度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速數(shù)字采集卡和磁盤(pán)陣列存儲(chǔ)服務(wù)器構(gòu)成。高速數(shù)字采集卡將光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的回波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。機(jī)載三維激光掃描儀的探測(cè)發(fā)射脈沖寬度小于5ns，保證回波脈沖數(shù)據(jù)采集時(shí)不失真，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的回波采樣率達(dá)到1GHz，采樣位數(shù)為12位。

2 系統(tǒng)需求分析

機(jī)載三維激光掃描儀主要用在測(cè)繪領(lǐng)域，分為近距離和遠(yuǎn)距離兩種，其中遠(yuǎn)距離激光主要是激光雷達(dá)系統(tǒng)，近距離掃描儀主要為微軟的Kinect[3-4]。

機(jī)載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)關(guān)鍵為點(diǎn)云數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析處理及場(chǎng)景重建。所設(shè)計(jì)的軟件要能夠處理掃描儀的原始數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)分析處理、濾波精簡(jiǎn)、三維重建等。

軟件系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成，包括數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、點(diǎn)云顯示、濾波、網(wǎng)格重建[5]。實(shí)現(xiàn)激光掃描儀數(shù)據(jù)處理和使用，與掃描儀器構(gòu)成一套完備的測(cè)繪系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于點(diǎn)云讀寫(xiě)存儲(chǔ)、濾波和網(wǎng)格重建?；赒T平臺(tái)和PCL（Point Cloud Library），通過(guò)CMake編譯VTK（Visualization Toolkit）QT插件，實(shí)現(xiàn)可視化與點(diǎn)云庫(kù)協(xié)同操作，由QT提供交互界面。

點(diǎn)云讀寫(xiě)存儲(chǔ)由PCL提供的IO類繼承而來(lái)，主要針對(duì)PCD格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和PLY格式的網(wǎng)格數(shù)據(jù)[6]，格式統(tǒng)一，便于數(shù)據(jù)處理。讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)先根據(jù)文件后綴判斷格式，是否以.pcd或者.ply格式結(jié)尾，是則讀取，否則返回。讀取后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏判斷，若為密集數(shù)據(jù)，則從數(shù)據(jù)中剔除NAN字符，完成數(shù)據(jù)讀取。同理，完成點(diǎn)云的存儲(chǔ)操作，作下一步處理，讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的程序代碼如下：

QString filename = QFileDialog：：getOpenFileName（this， tr（"Open Point Cloud"），"D："，tr（"Point Cloud Data（*.pcd *.ply ）"））；

PCL_INFO（"File chose： %s＼＼n"， filename.toStdString（）.c_str（））；

pcl：：PointCloud：Ptr cloud_tmp（new pcl：：PointCloud）；

if （filename.isEmpty（））

return；

int return_status；

if （filename.endsWith（".pcd"， Qt：：CaseInsensitive））

return_status = pcl：：io：：loadPCDFile（filename.toStdString（）， *cloud_tmp）；

else

return_status = pcl：：io：：loadPLYFile（filename.toStdString（）， *cloud_tmp）；

if （return_status ！= 0）

{

PCL_ERROR（"Error reading point cloud %s＼＼n"， filename.toStdString（）.c_str（））；

return；

}

//To determine whether the point cloud is dense or not

if （cloud_tmp->is_dense）

{

pcl：：copyPointCloud（*cloud_tmp， *cloud）；

}

else

{

PCL_WARN（"Cloud is not dense！ Non finite points will be removed＼＼n"）；

std：：vector vec；

pcl：：removeNaNFromPointCloud（*cloud_tmp， *cloud， vec）；

}

點(diǎn)云的視圖切換操作通過(guò)設(shè)置相機(jī)的位置矩陣函數(shù)setCameraPosition（）實(shí)現(xiàn)，通過(guò)給定不同的矩陣參數(shù)，用戶可以快速切換點(diǎn)云視角，選擇出最好的視角場(chǎng)景效果。由編譯后的VTK庫(kù)生成的QVTKWidget控件提供視圖操作，用戶可以實(shí)現(xiàn)平移旋轉(zhuǎn)與縮放等基本三維可視化操作。

點(diǎn)云濾波分為直通濾波、體素柵格濾波和統(tǒng)計(jì)學(xué)外點(diǎn)移除濾波3個(gè)部分。這些濾波方法主要目的是精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)，去除飛點(diǎn)等噪聲點(diǎn)，減小數(shù)據(jù)體積，優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，方便可視化操作和下一步數(shù)據(jù)處理，提高點(diǎn)云質(zhì)量和計(jì)算速度。其中統(tǒng)計(jì)學(xué)外點(diǎn)移除濾波部分代碼如下：

PointCloudT_XYZ：：Ptr cloud_filtered（new PointCloudT_XYZ）；

pcl：：StatisticalOutlierRemoval outlierRemoval；

outlierRemoval.setInputCloud（cloud）；

outlierRemoval.setMeanK（ui->lineEditMeanK->text（）.toInt（））；

outlierRemoval.setStddevMulThresh（ui->lineEdit_StddevMulThresh->text（）.toDouble（））；

outlierRemoval.filter（*cloud_filtered）；

pcl：：copyPointCloud（*cloud_filtered， *cloud）；

點(diǎn)云的網(wǎng)格生成由貪婪投影三角網(wǎng)格化、柵格投影網(wǎng)格化和移動(dòng)最小二乘法3個(gè)部分組成。貪婪投影三角網(wǎng)格化實(shí)現(xiàn)無(wú)序點(diǎn)云的快速重構(gòu)，性能良好。柵格投影網(wǎng)格化計(jì)算速度稍慢，但可以實(shí)現(xiàn)破面、孔洞等的修復(fù)，柵格大小由用戶界面設(shè)置。移動(dòng)最小二乘法采用的是多項(xiàng)式插值方法，設(shè)置鄰域點(diǎn)的個(gè)數(shù)和多項(xiàng)式階數(shù)，在該范圍內(nèi)多項(xiàng)式擬合，擬合后的曲面進(jìn)行估計(jì)法線，使法向量有序化，再對(duì)設(shè)置半徑范圍內(nèi)的點(diǎn)采樣處理，讓點(diǎn)云分布均勻，完成這些操作后再進(jìn)行存儲(chǔ)，進(jìn)一步網(wǎng)格化重建模型，得到的網(wǎng)格更加致密光滑。移動(dòng)最小二乘法的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

pcl：：search：：KdTree：：Ptr tree（new pcl：：search：：KdTree）；

mls.setInputCloud（cloud）；

mls.setSearchMethod（tree）；

mls.setPolynomialFit（true）；

mls.setPolynomialOrder（ui->lineEdit_MLS_setPolynomialOrder->text（）.toInt（））；

mls.setComputeNormals（false）；

mls.setSearchRadius（ui->lineEdit_MLS_setSearchRadius->text（）.toDouble（））；

mls.setUpsamplingMethod（mls.SAMPLE_LOCAL_PLANE）；

mls.setUpsamplingRadius（ui->lineEdit_MLS_setUpsamplingRadius->text（）.toDouble（））；

mls.setUpsamplingStepSize（ui->lineEdit_MLS_setUpsamplingStepSize->text（）.toDouble（）

mls.process（*outputCloud）；

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)載三維激光掃描儀系統(tǒng)構(gòu)建，探討了機(jī)載三維激光掃描儀技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了儀器高速數(shù)據(jù)測(cè)量、采集和數(shù)據(jù)處理。配合編寫(xiě)的機(jī)載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)、精簡(jiǎn)濾波與三維重建，完成了設(shè)計(jì)要求和精度要求，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。后期研究中，將在儀器方面提高數(shù)據(jù)高采樣頻率、改進(jìn)掃描點(diǎn)的算法、提高數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性及增大極限掃描距離等，在軟件方面提高軟件的穩(wěn)定性、增加線程操作、優(yōu)化算法、支持更多點(diǎn)云格式文件的操作、改善用戶體驗(yàn)等，為三維激光掃描儀提供更多的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張小紅. 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[3] 李世鵬，郭唐永，羅青山，等.海陸一體機(jī)載激光掃描儀的設(shè)計(jì)[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2013（S2）：58-60，70.

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（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）