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        基于激光掃描技術(shù)的三維模型重建

        2018-02-03 04:19:31劉友芹岳文朝
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2017年30期
        關(guān)鍵詞:三維建模

        劉友芹++岳文朝

        摘 要:現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達(dá),先進(jìn)的技術(shù)在不斷改變著我們的生活和生產(chǎn)方式。尤其是電腦計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,在此基礎(chǔ)上開發(fā)了很多的辦公軟件,這樣極大方便了我們的生活?,F(xiàn)在的三維激光掃描的技術(shù)很方便,在建模的時(shí)候用這個技術(shù)極大幫助我們在工業(yè)測量或者是文物的修復(fù)上面。本文分析了三維激光的掃描系統(tǒng)作業(yè)的過程,通過點(diǎn)云的數(shù)據(jù),進(jìn)行處理,得到建筑物的信息參數(shù),之后再構(gòu)建三維的模型,這樣就進(jìn)行了建筑物的建模。

        關(guān)鍵詞:激光掃描技術(shù) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理 三維建模

        中圖分類號:TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)10(c)-0087-02

        現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)十分發(fā)達(dá),先進(jìn)的技術(shù)和儀器設(shè)備改變了我們的生活。在工作中也越來越離不開這些先進(jìn)的技術(shù)了。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn),讓我們在空間信息的獲取上有了新的突破。現(xiàn)在得到的空間信息,很大程度上是依靠三維激光掃描技術(shù)。從20世紀(jì)80年代開始,就有了激光的測量技術(shù),這項(xiàng)技術(shù)有很多的優(yōu)點(diǎn),比如方向更準(zhǔn)確、亮度更高,所以受到青睞。技術(shù)繼續(xù)發(fā)展,以后大家已經(jīng)不能滿足于點(diǎn)對點(diǎn)的模式了。所以,后來人們繼續(xù)研究,發(fā)展到了能夠獲得很多采樣點(diǎn)的三維空間的坐標(biāo),這就是通過三維激光掃描來實(shí)現(xiàn)的。這個技術(shù)現(xiàn)在也是一種實(shí)景的復(fù)制技術(shù)。它的問世,引發(fā)了測繪行業(yè)的技術(shù)革命。因?yàn)樗淖兞艘郧暗膯吸c(diǎn)測量的模式,實(shí)現(xiàn)了三維圖形的繪制。這項(xiàng)技術(shù)從20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用,現(xiàn)在在空間位置的采集上面有重要的作用,更快、更方便,并且更準(zhǔn)確。

        1 三維激光掃描的工作原理

        三維激光掃描儀是一種非??斓臏y量的系統(tǒng),主要包括激光的測距儀,還有相關(guān)測量角度的系統(tǒng)組成等。這個儀器能夠應(yīng)對復(fù)雜的現(xiàn)場情況,通過對空間里面的物體進(jìn)行快速大掃描,就能夠得到一些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是通過激光的點(diǎn)進(jìn)行接觸,包括水平的方向,還有豎直的方向,測量好了數(shù)據(jù)就能夠自動儲存起來。經(jīng)過進(jìn)一步的計(jì)算,知道了點(diǎn)云的數(shù)據(jù)。這個儀器特別強(qiáng)大,最遠(yuǎn)能夠測量千米以外的物體,而且它的工作頻率1s能夠達(dá)到幾十萬次,這是十分驚人的。它在豎直方向上面可以達(dá)到90度。在垂直于豎直方向的平面上,能夠進(jìn)行360度的旋轉(zhuǎn)。所以,掃描的范圍很大。掃描以后,數(shù)據(jù)通過TCPhP協(xié)議進(jìn)行上傳,進(jìn)入到計(jì)算機(jī)里面。還有一些相機(jī)拍攝的圖片,我們可以把存儲卡里面的圖片傳播到電腦里面。計(jì)算機(jī)把測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理以后,就可以用畫圖工具進(jìn)行畫圖了。建筑物的三維模型就能夠出來了。三維坐標(biāo)就是由XYZ軸組成的,其中X和Y軸在一個平面里,互相垂直,Z軸垂直于這個平面。

        在一個三維的激光掃描系統(tǒng)里面主要有三部分,掃描儀、計(jì)算機(jī),還有一些供電的電源。我們說的激光掃描儀,帶有激光的測量距離大系統(tǒng),還有激光的掃描儀器,這些系統(tǒng)自己就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制還有校正處理。儀器里面有兩個反射鏡子,能夠同時(shí)工作,它們在工作的時(shí)候不停地旋轉(zhuǎn),這樣,就把脈沖發(fā)射出去的激光掃描出來了,這些激光脈沖從發(fā)射到返回是有一定的時(shí)間的。計(jì)算這個時(shí)間,然后通過一定的公式就能計(jì)算出物體表面的距離。掃描儀里面有一定的編碼器,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。通過測量激光脈沖在橫向上和豎直方向上進(jìn)行掃描時(shí)候的角度,就能夠得到被測的云點(diǎn)的三維坐標(biāo)。激光掃描系統(tǒng)里面不僅能夠得到角度和距離,還能夠得到一些反射強(qiáng)度的數(shù)據(jù),這樣就能夠給那些反射的點(diǎn)進(jìn)行顏色的配比了。有時(shí)候,就要把公共的點(diǎn)也應(yīng)用起來,因?yàn)樵诓煌恼军c(diǎn)時(shí)候,需要變換數(shù)據(jù)。這樣,就能夠把不同站點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)放到一個坐標(biāo)里面去。對待公共的點(diǎn),通常用球形的目標(biāo),而那些點(diǎn)云的數(shù)據(jù),就通過特殊的合適保存在電腦里。所以,購買軟件的時(shí)候,就要一起購買匹配的讀取軟件。這里,OPTEC的ILRIS一3D,Cyrax 2500的yclone和LMS-Z420都是很好的數(shù)據(jù)處理軟件。它們都能進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量和處理還有三維建模等。

        2 建模過程

        2.1 數(shù)據(jù)獲取

        從空間采集數(shù)據(jù)是一項(xiàng)專業(yè)性非常強(qiáng)的工作?,F(xiàn)在的激光掃描非常先進(jìn),能夠準(zhǔn)確得到三維空間里的點(diǎn)集。我們之前就使用過軟件平臺PdSCAN PRO,通過控制RIEGL里面的三維激光掃描儀,實(shí)現(xiàn)了對某個建筑物的掃描,并且我們用了一切能夠使用的技術(shù),得到最佳的信息。我們把采集到的點(diǎn)進(jìn)行繪制,在一個坐標(biāo)系里集合起來。這樣我們就得到了一系列的點(diǎn)云。

        2.2 數(shù)據(jù)處理

        我們對采集到的數(shù)據(jù)要進(jìn)行合理的處理,這就包括對這些點(diǎn)進(jìn)行一些有關(guān)信息的提取還有去噪聲。有些識別方面不是很對,也要進(jìn)行改正。這時(shí)候,我們需要注意,我們不光要弄清楚建筑物里面的數(shù)據(jù),也要把建筑物周圍進(jìn)行研究和分析,這些數(shù)據(jù)也要得到。只有這樣才能把建筑物從周圍環(huán)境里面提取出來,方便我們以后的工作。所以,要用合適的分離辦法進(jìn)行提取數(shù)據(jù)的工作。有些數(shù)值比儀器的高度小。那么我們就把這些數(shù)看成是地形的點(diǎn)。反之,就看成是地物的點(diǎn)。一定要進(jìn)行數(shù)據(jù)的去噪聲。只有這樣才能把建筑物附近的遮擋物去掉,讓我們看到建筑物本來的面貌。我們現(xiàn)在主要用軟件RISCAN PRO做去噪聲的工作。這時(shí)候,我們就要根據(jù)激光掃描的情況去辨別了??纯椿貋頃r(shí)候的信號是大是小,要是比標(biāo)準(zhǔn)值小的話,這個值就是沒有意義的。這時(shí)候就要進(jìn)行過濾,去除那些不正常的值。在有必要的時(shí)候,我們也會利用曲面擬合的辦法,這樣把那些遮擋物的數(shù)據(jù)去除掉。我們就是用得到的特殊的點(diǎn)和特殊的面去構(gòu)建建筑物的平面圖。

        2.3 三維建模

        三維建模是很重要的一步,上面的工作完成以后,就要進(jìn)行三維建模了。主要是通過重新采樣還有相互拼接和匹配去完成三維空間的建模。

        在重新采樣上面,我們就是在一定的全局,把控建筑物的總體情況,把原來的數(shù)據(jù)拆開,重新采取數(shù)據(jù)。這樣,我們就能夠得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),可以讓我們更加了解建筑物的情況。進(jìn)行重新采樣的時(shí)候,具體的工作順序是,先進(jìn)行掃描,這樣就得到了很多分段的曲線。這些曲線,從上面到下面,依次進(jìn)行二次的擬合。這樣就可以得到很清晰的距離圖像了。然后我們繼續(xù)工作,進(jìn)行檢驗(yàn),主要是查看深度,還有擬合的那些點(diǎn)在方向上面是不是連續(xù)的,如果是連續(xù)的,那么就生成邊緣的映射圖像。這樣進(jìn)一步工作,就能夠得到三維圖像的邊緣。充分利用二維碼的網(wǎng)格,這樣,通過那些鏈接我們就知道了不同的邊緣鏈接。通過這些不同的邊緣上面的鏈接,就可以看到哪些是拐點(diǎn)。所以,繼續(xù)工作,把那些長度較小的邊緣鏈接去掉,留下合適長度的邊緣鏈接。這時(shí)候,要看用戶的需求,把距離上的圖像進(jìn)行等分。每一個小的圖像之間會有一些重疊的部分。這樣是為了進(jìn)行我們的重新采樣工作。完成重新采樣工作以后,就把這些不同坐標(biāo)系里面的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,放到一個坐標(biāo)系里面,從而形成了一個立體的模型。為了使圖像的效果更好,我們可以使用RISCAN PRO軟件中的紋理映射功能。紋理映射功能就能夠把那些數(shù)據(jù)充分展現(xiàn)在模型里面。在這個工具里面,就有了不同的坐標(biāo)的位移,還有法向量等。進(jìn)行紋理映射功能就是要先找到紋理的特點(diǎn),然后形成合適的特征圖像,同時(shí)把這個圖像和三維建模里面的映射建立一種關(guān)系,從而可以把映射到模型進(jìn)行運(yùn)算。

        3 結(jié)語

        綜上所述,我們知道了激光掃描技術(shù)能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行三維模型的建立,極大方便了我們的工作。

        參考文獻(xiàn)

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