【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和外形尺寸以及文物的紋理色彩信息。并且 這些信息重建的文物模型為文物長(zhǎng)期保存、傳輸、再現(xiàn)、復(fù)制、查閱和交流帶來了極大的方便。在不直接接觸文物的條件下，我們可以對(duì)其進(jìn)行研究，這是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取手段不可比擬的優(yōu)勢(shì)。利用這些三維模型，為文物修復(fù)和復(fù)制帶來便利。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。 2. 在逆向工程領(lǐng)域： 逆向工程 (Reverse Engineering RE)，也稱 反求工程 。他是 根據(jù)已有 實(shí)體模型 ，通過 反求技術(shù)， 推導(dǎo) 出設(shè)計(jì) 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)過程，這正是三維掃描重建技術(shù)研究的內(nèi)容。通過三維掃描儀獲取實(shí)體表面點(diǎn)的三維坐 標(biāo)，將數(shù)據(jù)輸入到 CAD/CAM 系統(tǒng)，在 CAD 系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)、修正、調(diào)整后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)控加工設(shè)備中，在短時(shí)間內(nèi)即可仿制一件與真實(shí)物品十2 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 分相似的產(chǎn)品，這不但提高產(chǎn)品生產(chǎn)速度和精度，而且可以縮短設(shè)計(jì)周期，帶來巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 3. 在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域： 通過三維掃描技術(shù)采集場(chǎng)景立體模型，將它輸入三維動(dòng)畫軟件，形成數(shù)字化“虛擬現(xiàn)實(shí)”。隨著仿真系統(tǒng)的使用范圍越來越廣泛，三維彩色模型的需求量越來越大，因此，三維掃描儀獲得的彩色場(chǎng)景立體模型在這一領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。 基于激光掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維模型，可以完全滿足 小到數(shù)字化零部件、大到數(shù)字化地球重建的需要。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于三維激光數(shù)據(jù)的重建技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也將成為諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)?？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。 選題目的及意義 近年來，隨著激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展及其成本逐步降低，三維激光掃描數(shù)據(jù)重建技術(shù)在國內(nèi)外迅速推廣，我國的（ 863 計(jì)劃）高科技發(fā)展計(jì)劃十分重視這項(xiàng)技術(shù)，眾多科研所、高等院校以及生產(chǎn)單位已經(jīng)拉開研究的序幕。 本文利用三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建，旨在 解決三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合與表面模型重建及紋理映射方面問題，探索出高效、精確的三維掃描建模流程，研究場(chǎng)景建模關(guān)鍵技術(shù)，積累點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)科研做準(zhǔn)備。 167。 研究現(xiàn)狀及存在問題 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)。利用三維激光掃描技術(shù)獲取實(shí)體相關(guān)信息可滿足以下要求：第一，保證所獲取的掃描數(shù)據(jù)客觀真實(shí)、科學(xué)準(zhǔn)確；第二，掃描數(shù)據(jù)有多種格式，為多層次應(yīng)用提供了必要條件 ，同時(shí)滿足三維建模研究和展示等多層次需要。實(shí)踐證明，通過三維激光掃描技術(shù)采集三維信息構(gòu)建的三維模型是客觀場(chǎng)景三維信息采集、整合、分析和處理手段的一次具有重要意義的變革。三維激光掃描技術(shù)在三維重建領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)和歷史意義，能夠在不接觸真實(shí)實(shí)體而記錄實(shí)物信息，快速再現(xiàn)物體原貌。在數(shù)據(jù)采集過程中，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 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。三維激光掃描技術(shù)通過密集采樣 實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)云來表達(dá)空間目標(biāo)的三維輪廓特征，憑借其快速、高效、高精度、全天候等優(yōu)點(diǎn)，為三維重建的順利進(jìn)行提供了可靠的數(shù)據(jù)保證。因此 國內(nèi)外諸多學(xué)者 在三維激光掃描技術(shù)領(lǐng)域開展了一系列三維重建實(shí)踐工作。 美國、瑞士、加拿大、法國等國家在三維激光掃描技術(shù)研究和應(yīng)用方面起步早，無論在理論還是在應(yīng)用領(lǐng)域都有相當(dāng)?shù)姆e累和一定規(guī)模。美國 Cyberware 公司與華盛頓大學(xué)、斯坦福大學(xué)共同實(shí)施數(shù)字米開朗基羅計(jì)劃 [23]，使用三維掃描技術(shù)重建了米開朗基羅塑造大型塑 中國地質(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。瑞士的 Stamos 和 Aleln 等人利用三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)，基于線特征的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法對(duì)圣皮埃爾大教堂進(jìn)行全面的三維重建 [4]。美國加大柏克萊分校的研究員 Frueh等人將航空激光三維掃描數(shù)據(jù)和地面的車載激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，制作三維模型 [5]。加拿大 NRC(加拿大國家研究委員會(huì) )的 EIHakiml[6]等人對(duì) CCD 照相機(jī)和激光掃描儀重新組裝，使用自己的硬件平臺(tái)，制作三維建模系統(tǒng) [7]。 近年來，我國在三維重建領(lǐng)域也開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。李必軍等利用從三維激光掃描數(shù)據(jù)中提取的建筑物特征線恢復(fù)建筑物三維模型 [8]。在考古方面開展大量的研究工作，如故宮博物院古建筑數(shù)字建模項(xiàng)目已經(jīng)建成，它是目前世界上規(guī)模較大的基于三維激光掃描數(shù)據(jù)表面模型重建作品。洛陽龍門石窟研究院利用三維激光掃描技術(shù)建立的數(shù)字檔案。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]。武漢大學(xué)遙感實(shí)驗(yàn)室利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)西安敦煌石窟進(jìn)行模型重建。這些工作為我國三維激光掃描技術(shù)在模型重建領(lǐng)域的研究和應(yīng)用奠定了 基礎(chǔ)。 存在問題 自三維激光掃描技術(shù)誕生至今已有二十余年歷史，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在三維激光掃描重建技術(shù)領(lǐng)域展開了深入的研究，取得了矚目的成果，但也存在如下問題： 1. 點(diǎn)云 數(shù)據(jù)量大 是三維激光掃描重建技術(shù)的瓶頸問題之一。 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，目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定配準(zhǔn)精度。 3. 三維激光掃描重建 后的模型細(xì)節(jié)問題還有待于進(jìn)一步研究。 167。 本文研究目標(biāo)與主要內(nèi)容 本文主要從三維激光掃描數(shù)據(jù)處理及三維模型重建兩個(gè)方面展開研究。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)。詳細(xì)介紹 RIEGL VZ400 三維激光掃描系統(tǒng)軟硬件特點(diǎn)及重建技術(shù)路線。 2. 重建核心問題在于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和三維模型構(gòu)建。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造三維模型是本文研究的重點(diǎn) 。 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。所以本文在給出初始位姿估計(jì)方法的基礎(chǔ)上，給出了基于間接平差的 ICP 算法，不但可以保障 ICP 算法全局收斂，而且可以減少算法耗時(shí)，提高算法效率，優(yōu)化傳統(tǒng) ICP 算法。 3. 對(duì)于配準(zhǔn)之后的深度數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建。目前基于點(diǎn)云的三維重建，大都是通過Delaunay 三角網(wǎng) 格重建算法構(gòu)造出三維表面網(wǎng)格模型。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。 167。 本文結(jié)構(gòu)與安排 本文共六章，按照下列章節(jié)進(jìn)行組織： 第一章：緒論。介紹了論文的選題背景、選題目的及意義，回顧三維激光掃描重建技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)已有研究的分析與總結(jié)，給出了本文的研究目標(biāo)與主要內(nèi)容，最后介紹了本文的結(jié)構(gòu)與安排。 第二章：三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型重建技術(shù)研究。闡述了獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軟硬件設(shè)備，介紹了三維激光掃描儀的工作原理以及常用的三維激光掃描設(shè)備的分類，針對(duì)本文內(nèi)容，介紹幾個(gè)常用的基本概念，在此基礎(chǔ)上，介紹了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表示方法及特點(diǎn)，最后給出了點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重建流程與技術(shù)路線。 第三章：點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。介紹了點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的基本步驟，重點(diǎn)研究了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、濾波與補(bǔ)洞以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除，有效地減少了冗余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)的處理奠定了基礎(chǔ)，本章最后給出實(shí)際應(yīng)用例子。 第四章：點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。首先闡述了點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)研究的現(xiàn)狀、配準(zhǔn)定義、配準(zhǔn)原理以及本文使用的配準(zhǔn)誤差解算模型，重點(diǎn)研究了基于同名點(diǎn)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，并給出了配準(zhǔn)后的精度。接著介紹了基于 ICP 算法的配準(zhǔn)方法，并給出了基于間接平差的 ICP 算法，對(duì)于配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，最后給出實(shí)際應(yīng)用例子。 第五 章：三維模型重建。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。最后給出實(shí)際應(yīng)用例子。 第六章：結(jié)論與展望。總結(jié)全文，展望今后研究方向。 中國地質(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。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取 在三維重建中，如何快 速、精確獲得物體的三維信息是三維激光掃描技術(shù)關(guān)鍵之一。對(duì)此，眾多學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行探索和研究，總結(jié)出多種數(shù)據(jù)獲取方法，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方法與三維掃描儀裝置性能、構(gòu)造、適用范圍、成本等有直接關(guān)系。自本世紀(jì)初，多種表面三維掃描方法應(yīng)運(yùn)而生，總體而言，三維掃描儀的掃描方法可分為非接觸式和接觸式兩大類。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。根據(jù)掃描儀中激光測(cè)距系統(tǒng)不同，三維激光掃描儀又可分為基于時(shí)間法、 三角法、脈沖法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法測(cè)距，分類如圖 21 所示。 圖 21 掃描方法分類 三維激光掃描工作原理 三維激光掃描系統(tǒng)核心部分是三維激光掃描儀，其附屬設(shè)備包括數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件、掃描儀旋轉(zhuǎn)控制平臺(tái)、電源、支架、內(nèi)部校正系統(tǒng)等。激光測(cè)距系統(tǒng)以及激光掃描系統(tǒng)是三維激光掃描儀自身重要組成部分。 1. 激光測(cè)距系統(tǒng)。脈沖式測(cè)距、激光三角法測(cè)距以及相位式測(cè)距是激光測(cè)距常用的三種方掃描方法 非接觸式 接觸式 超聲波 電磁波 激光 三角法 測(cè)距法 脈沖法 結(jié)構(gòu)光法 圖像分析法 相位法 CMM 銑削測(cè) 量機(jī) 機(jī)械臂 6 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 法。 ①脈沖式測(cè)距 由三維激光掃描儀系統(tǒng)內(nèi)部激光 脈沖二極管以每秒幾萬點(diǎn)速度發(fā)射激光脈沖，激光脈沖經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部快速旋轉(zhuǎn)的棱鏡，以激光束的形式射向被掃描場(chǎng)景，然后由系統(tǒng)內(nèi)部探測(cè)器接收由場(chǎng)景表面反射回來的激光脈沖① (如圖 22 所示 )。通過發(fā)射和接收激光脈沖時(shí)間差解算出被測(cè)場(chǎng)景與三維激光掃描儀內(nèi)部中心的距離，其測(cè)距公式為 (21)式。 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 。 使用基于時(shí)間測(cè)量原理的三維激光掃描測(cè)距系統(tǒng)測(cè)距范圍一般為 100m~500m，有時(shí)可達(dá)到 1000m 以上，每秒可以獲得 10,000~100,000 個(gè)點(diǎn)云，精度可以達(dá)到毫米級(jí)。目前，大多數(shù)激光掃描儀采用此工作方式，例如： Riegl 公司的 LMSZ420i， RieglVZ400， Leica 公司的 Cyrax2500， HDS3000，法國 Mensi 公司的 GS 100 以及 Optech 公司 ILRIS3D 等三 維激光掃描儀?；跁r(shí)間測(cè)量原理如圖 22 所示。 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)量又稱激光雷達(dá)原理法測(cè)距。光學(xué)三角測(cè)量是利用三角形幾何關(guān)系解算出三維激光掃描儀自身坐標(biāo)系中心與掃描場(chǎng)景間距離，由目標(biāo)反射點(diǎn)、數(shù)碼相機(jī)感光元件接收裝置及激光發(fā)射器組成三角關(guān)系。因此，目標(biāo)場(chǎng)景距離可以通過 CCD 與激光發(fā)射器之間固定基線長(zhǎng)度、激光發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)之間的夾角求解，三角法測(cè)量的基本原理如圖 23 所示。 它適用于近距離測(cè)程范圍為 幾米到幾十米，主要用于逆向工程重建和工業(yè)測(cè)量，可以達(dá)到亞毫米級(jí)的精度。目前， Vitana 公司的 3D Body Measurement 型、法國 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。 激光發(fā)射器 / 接收器 棱鏡 目標(biāo)物 中國地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文