【正文】 4859100322 ?????????????????1 原始數(shù)據(jù) （ b） 轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù) 16 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 原始數(shù)據(jù) （ c） 合并后數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) （ d） 歸約后數(shù)據(jù) 圖 31 數(shù)據(jù)預(yù)處理示意圖 167。由數(shù)學(xué)知識(shí)我們知道三維點(diǎn)云變換中的平移與縮放原理相似且比較簡(jiǎn)單。在三維空間坐標(biāo)系中，情況大不相同，可以圍繞任意軸向旋轉(zhuǎn)，因此，可以將三維空間旋轉(zhuǎn)看做是二維平面旋轉(zhuǎn)的復(fù)合，也可認(rèn)為是按指定空間坐標(biāo)系軸向任意次序的旋轉(zhuǎn)變換矩陣合并在一起建立的旋轉(zhuǎn)總矩陣。其中： T3D=????????????smmmptttpttpttt321333323122322211131211，從功能上可將 T3D 劃分為幾個(gè)不同的三維基本變化矩陣模塊，其中??????????333231232221131211ttttttttt 表示變換矩陣的旋轉(zhuǎn)、比例、或者剪切一些基本的變換功能，? ?321 mmm 表示變換矩陣中的平移功能，??????????321ppp 控制投影變換， [s]控制全局比例變換。 18 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 旋轉(zhuǎn) 為了從不同的視角觀察點(diǎn)云的形狀、密度，更好 地 顯示點(diǎn)云數(shù)據(jù)不同的局部表面特征，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)有整體的把握，可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)施旋轉(zhuǎn)變換。旋轉(zhuǎn)前的點(diǎn)云坐標(biāo)為 （ x， y， z），其齊次形式為（ x， y， z， 1） 。相對(duì)而言，相對(duì)原點(diǎn)繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)是最簡(jiǎn)單的，其他形式的旋轉(zhuǎn)可以由這種方式復(fù)合表示。平移點(diǎn)云是平移三維圖像變換的應(yīng)用，假設(shè)三維空間圖像上的任意點(diǎn) q（ x， y， z）經(jīng)過(guò)平移后得到 q/（ x/， y/， z/），可做如下表示： （ x/ y/ z/ 1） =（ x y z 1） ???????????????1010000100001zyx mmm (31) 其中，沿 x、 y、 z 坐標(biāo)軸方向移動(dòng)的距離分別用 mx、 my、 mz 表示，對(duì)矩陣進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，可得到以下三個(gè)方程： ???????????zyxmzzmyymxx/// （ 32） 在三維空間中，平移物體的實(shí)質(zhì)是平移物體的三維空間采樣點(diǎn)。（ x， y， z）是三維空間點(diǎn)，（ xw， yw， zw， w）是三維空間點(diǎn)（ x， y， z）在齊次坐標(biāo)系下的坐標(biāo)， w R? 且 w? 0， xw=xw，yw=yw， zw=zw，通常，我們 令 w=1，則（ x， y， z）的齊次坐標(biāo)是（ xw， yw， zw， 1）。對(duì)于三維空間坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)，并不是在二維平面旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的擴(kuò)展。下面介紹三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間變換過(guò)程。數(shù)據(jù)預(yù)處理示意圖如圖 31 所示，其中 31（ a）為數(shù)據(jù)清理為， 31（ b）為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 31（ c）為數(shù)據(jù)合并， 31（ d）為數(shù)據(jù)歸約。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是將不同來(lái)源或不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到特定的可用的范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)預(yù)處理在數(shù)據(jù)處理流程中是必不可少的一步，數(shù)據(jù)預(yù)處理是原始數(shù)據(jù)上進(jìn)行深加工，包括數(shù)據(jù)的一致性、完整性及噪聲數(shù)據(jù)檢核。 4. 紋理映射階段： 經(jīng)過(guò)前述幾個(gè)數(shù)據(jù)處理階段得到精確場(chǎng)景三維模型，但為了體現(xiàn)模型表面的特征及屬性并滿(mǎn)足模型可視化要求，需要使用事先獲取的物體表面彩色照片對(duì)模型進(jìn)行紋理映射。 2. 數(shù)據(jù)處理階段： 包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。 研究方法與技術(shù)路線 點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重建流程 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型重建的一般流程為 [13]數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，模型構(gòu)建，紋理映射四個(gè)階段。可以通過(guò)在不同視點(diǎn)下掃描被掃描場(chǎng)景表面數(shù)據(jù)點(diǎn)云的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn) 特點(diǎn)一，數(shù)據(jù)量大。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)表示方法及特點(diǎn) 三維激光掃描數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)是一種特殊圖像。一臺(tái)三維激光掃描儀在一個(gè)位置上掃描一次，即為一個(gè)視點(diǎn)。通過(guò)一組逐行逐列按照矩陣形式進(jìn)行組織的“像素”組成。 Geomagic 軟件具有以下功能特點(diǎn) [12]： 1. 自動(dòng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形（ Polygons），改變了從點(diǎn)到線再到面的傳統(tǒng)構(gòu)面方式； 2. 構(gòu)網(wǎng)依據(jù) Delaunay 剖分原理，可以快速簡(jiǎn)化多邊形數(shù)目； 3. 把多邊形轉(zhuǎn)換為 NURBS 曲面 ； 4. 曲面分析（ 公差 分析等） ，分析出點(diǎn)云數(shù)據(jù)與重建后的模型之間的公差； 5. 輸出與 CAD/CAM/CAE 匹配的檔案格式（ IGS， STL， DXF， OBJ， ADS， PIY， SAC等） ； 6. 強(qiáng)大的視覺(jué)效果 (點(diǎn)云著色 )及點(diǎn)云處理功能 (點(diǎn)過(guò)濾方式有多種 )； 7. 點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失后可修補(bǔ)； 8. 可快速產(chǎn)生供其它 CAD 軟件使用的三維截面曲線； 9. 易用、高效、方便 、快捷的檢測(cè)功能，可查詢(xún)模型與點(diǎn)之間偏差，可以用多種文件格式輸出檢測(cè)報(bào)告。 Riscan Pro 是專(zhuān)題性質(zhì)的軟 件，每個(gè)掃描工程以獨(dú)立的文件夾形式存在，這個(gè)文件夾中包括了掃描站中的所有信息。激光束的線掃描（垂直偏轉(zhuǎn)角）（圖10 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 26 a 中結(jié)構(gòu)②）是由多面體控制（圖 26 a 中結(jié)構(gòu)①），一個(gè)多面體包含多個(gè)反射表面。該系統(tǒng)可直接與 GPS 及數(shù)碼相機(jī) CCD 傳感器相結(jié)合，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲取三維點(diǎn)云及與點(diǎn)云所對(duì)應(yīng)的影像數(shù)據(jù)。 V： 3100176。 H： 360176。 H： 360176。 5mm 177。 177。3mm100m 177。 ? ? X Y Z P(XS， YS， ZS， I) o 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 表 21 常見(jiàn)的三維激光掃描系統(tǒng)參數(shù) 系 統(tǒng) Riegl vz400 HDS3000 GS200 Isite4400 LIRIS3D Imager5003 廠 家 Riegl 公司 萊卡公司 Mensi 公司 Isite 公司 optech 公司 Zoller+Frohlich 產(chǎn) 地 奧地利 美國(guó) 法國(guó) 澳大利亞 加拿大 德國(guó) 測(cè) 距 范 圍 500m 150m A： 1200m M： 700m 3400m 31500m 測(cè) 距 精 度 A：177。內(nèi)置相機(jī)型掃描儀優(yōu)點(diǎn)是每次掃描前，無(wú)需安裝相機(jī)，無(wú)需做 激光掃描儀與 相機(jī)的 標(biāo)定和校對(duì) 工作，節(jié)約時(shí)間。 ?????????????sinzsin co sy co s co sssSSSx s （ 23） 常用 三維激光掃描系統(tǒng)分類(lèi) 現(xiàn)階段，國(guó)外數(shù)家廠商生產(chǎn)不同類(lèi)型的三維激光掃描儀， 其 測(cè)距原理、與相機(jī)使 用的結(jié)合方式等還是有一定的差別，因此可從不同的角度對(duì)其進(jìn)行分類(lèi) [10]。有前面介紹的基于脈沖式測(cè)距原理可知，通過(guò)測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的激光發(fā)射器 棱鏡 基線 目標(biāo)物 CCD 透鏡 8 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 時(shí) 間或相位差，即可自動(dòng)計(jì)算出測(cè)距觀測(cè)值 S 和反射強(qiáng)度 I ，由精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖縱向天頂角度值 ? 和水平方向角度值 ? 。如： 由 ShapeGrabber 公司 A12400 型 產(chǎn)品、 Optimet 公司MiniConoscan3000 型號(hào)產(chǎn)品及 Minolta 公司 VIVID 系列三維激光掃描儀。解算出接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)之間相位差后，即可得出目標(biāo)距離。目前， Vitana 公司的 3D Body Measurement 型、法國(guó) Mensi 公司的 S1825型、 Steinbicbler 公司的 COMETTScan、 INTECU 公司的 CyLan701 和 CyLan3D 型等三維激光掃描儀測(cè)距系統(tǒng)都是屬于激光三角法測(cè)距原理的掃描儀。 圖 22 基于時(shí)間測(cè)距原理 ②激光三角法測(cè)距 光學(xué)三角測(cè)量又稱(chēng)激光雷達(dá)原理法測(cè)距。 ctS 21? （ 21） 其中，測(cè)量距離為 S ，光速為 c ，測(cè)距脈沖往返時(shí)間為 t 。 1. 激光測(cè)距系統(tǒng)。根據(jù)非接觸式掃描儀測(cè)量原理的不同，可劃分為電磁波測(cè)量、光電學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量等不同測(cè)距方法；接觸式測(cè)量主要有機(jī)械臂和銑削測(cè)量機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (CMM)等。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 第二章 點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型重建處理流程 167。首先概述了三維模型重建方法，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型重建方法，介紹 Delaunay 三角網(wǎng)剖分，本文嘗試基于 Delaunay 三角網(wǎng)剖分的 三維表面網(wǎng)格模型重建，在 Geomagic Studio 10 系統(tǒng)中以人機(jī)交互的方式構(gòu)造出三維模型，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速重建三維表面重建。 第四章：點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。 第二章：三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型重建技術(shù)研究。本文嘗試基于 Delaunay 三角網(wǎng)剖分4 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 模型重建，在 Geomagic Studio 系統(tǒng)中以人機(jī)交互的方式構(gòu)造出三維模型，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重建。 針對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)特點(diǎn)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，之后配準(zhǔn)，在配準(zhǔn)中提出在粗配準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行 ICP 算法精配準(zhǔn)，在 ICP 算法中如果初始位姿選擇不準(zhǔn)確 ， ICP 算法很有可能陷入局部收斂，而不是全局收斂。為實(shí)現(xiàn)基于三維激光掃描數(shù)據(jù)快速建模 ，推動(dòng)基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的模型重建技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，本文完成如下內(nèi)容： 1. 介紹激光掃描儀獲取三維信息的原理和流程以及三維激光掃描儀的發(fā)展趨勢(shì)，此外列舉了幾款比較常用的三維激光掃描儀性能參數(shù)指標(biāo)。 2. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)算法雖然很多，但算法的通用性差，限制條件多，目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定配準(zhǔn)精度。秦俑二號(hào)坑遺址的發(fā)掘引入地面三維激光掃描技術(shù) [9]。 近年來(lái)，我國(guó)在三維重建領(lǐng)域也開(kāi)展了一系列三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐工作，一些科研單位將三維激 光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物三維重建，工業(yè)零件設(shè)計(jì)模型重建，文物保護(hù)等領(lǐng)域。美國(guó) Cyberware 公司與華盛頓大學(xué)、斯坦福大學(xué)共同實(shí)施數(shù)字米開(kāi)朗基羅計(jì)劃 [23]，使用三維掃描技術(shù)重建了米開(kāi)朗基羅塑造大型塑 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 像，此項(xiàng)工作被納入到羅馬數(shù)字城市組建工作中，是三維激光掃描技術(shù)在三 維模型重建領(lǐng)域應(yīng)用的先河。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于種種原因，反映實(shí)體形狀的數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)有所丟失，而三維激光掃描技術(shù)不僅記錄掃描物體原始的三維信息，還可以通過(guò) CCD 數(shù)碼相機(jī)同步記錄紋理信息，這為重建高精度三維模型提供必要條件。 研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題 三維掃描重建技術(shù)研究現(xiàn)狀 目前，隨著三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展，快速、高效地采集客觀場(chǎng)景三維信息已成為現(xiàn)實(shí)?？梢灶A(yù)言，三維激光掃描技術(shù)將在真實(shí)世界的三維重建中發(fā)揮不可估量的作用。 3. 在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域： 通過(guò)三維掃描技術(shù)采集場(chǎng)景立體模型，將它輸入三維動(dòng)畫(huà)軟件，形成數(shù)字化“虛擬現(xiàn)實(shí)”。如果將文物立體色彩數(shù)字模型輸入到虛擬系統(tǒng)中，可建立數(shù)字虛擬博物館。使用三維激光掃描儀獲取場(chǎng)景三維信息重建的三維實(shí)物模型具有照片真實(shí)感和幾何準(zhǔn)確性，這是其他三維重建技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在虛擬現(xiàn)實(shí)、城市規(guī)劃、地形勘測(cè)、數(shù)字考古、數(shù)字文物、數(shù)字娛樂(lè) (游戲、動(dòng)畫(huà)、電影 )、數(shù)字博物館、數(shù)字城市、數(shù)字地球等領(lǐng)域中體現(xiàn)出重要價(jià)值： 1. 在文物保護(hù)領(lǐng)域： 在文物保護(hù)方面，利用三維