【正文】 .. 8 本文使用的軟硬件設(shè)備 ............................................... 9 相關(guān)概念介紹 ...................................................... 11 167。 研究方法與技術(shù)路線 ................................................... 12 點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重建流程 .............................................. 12 技術(shù)路線 .......................................................... 13 第三章 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理 ........................................................ 15 167。 點(diǎn)云預(yù)處理 ........................................................... 16 變換矩陣 .......................................................... 17 平移 ......................................................... 17 旋轉(zhuǎn) ......................................................... 18 縮放 ......................................................... 20 點(diǎn)云濾波 .......................................................... 21 點(diǎn)云刪除與補(bǔ)洞 .................................................... 22 點(diǎn)云曲面擬合 ...................................................... 23 Bezier 曲線曲面的數(shù)學(xué)模型 ..................................... 23 Bspline 曲線曲面的數(shù)學(xué)模型 .................................... 24 NURBS 曲線曲面的數(shù)學(xué)模 型 ...................................... 25 167。 介紹 ................................................................ 27 167。 基于同名點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn) ................................................... 31 有反射標(biāo)志同名點(diǎn)提取 .............................................. 32 無反射標(biāo)志同名點(diǎn)提取 .............................................. 34 167。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合 ......................................................... 40 167。 介紹 ................................................................ 42 167。 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型重建 ........................................... 44 Delaunay 三角剖分 .................................................. 44 Voronoi 圖 .................................................... 44 三角剖分和 Delaunay 三角剖分定義 ............................... 45 Delaunay 三角剖分特性 ......................................... 45 構(gòu)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法 ...................................................... 46 167。 小結(jié)與實(shí)例 ........................................................... 52 第 六 章 總結(jié)與展望 ........................................................... 53 167。 展望 ................................................................ 53 致 謝 ....................................................................... 55 參考文獻(xiàn) ..................................................................... 56 中國地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 第 一章 緒論 167?？陀^實(shí)體的三維模型是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題，在數(shù)字化模擬、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。十年前，因科技發(fā)展的限制，二維數(shù)據(jù)是重建數(shù)據(jù)的主要數(shù)據(jù)源，如 CCD 傳感器、錄相設(shè)備、平面掃描設(shè)備、照相機(jī)等。 三維掃描儀是科技發(fā)展的產(chǎn)物，是測(cè)繪領(lǐng)域繼 GPS 后的又一項(xiàng)科技變革 [1]。三維激光掃描技術(shù)具有速度快、精度高、非接觸優(yōu)點(diǎn)，能夠完成對(duì)復(fù)雜物體的點(diǎn)、線、面的三維測(cè)量，與此同時(shí)，對(duì)用 戶經(jīng)驗(yàn)要求低、易操作性是三維掃描技術(shù)又一優(yōu)點(diǎn)，用戶通過掃描場(chǎng)景模型，較容易制作出高質(zhì)量的三維產(chǎn)品。并且 這些信息重建的文物模型為文物長期保存、傳輸、再現(xiàn)、復(fù)制、查閱和交流帶來了極大的方便。利用這些三維模型，為文物修復(fù)和復(fù)制帶來便利。 2. 在逆向工程領(lǐng)域： 逆向工程 (Reverse Engineering RE)，也稱 反求工程 。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。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。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)。 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。 167。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。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。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。 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。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]。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]。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]。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。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。 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。 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。 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。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。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) 。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。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。 167。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。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。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。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。 第五 章：三維模型重建。最后給出實(shí)際應(yīng)用例子?？偨Y(jié)全文，展望今后研究方向。 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。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)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。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。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。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。 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)?；跁r(shí)間測(cè)量原理如圖 22 所示。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。 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。 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 7 圖 23 基于激光三角測(cè)距原理 ③相位式測(cè)距： 使用激光束調(diào)制幅度，激光束一次往返測(cè)所產(chǎn)生的相位延遲可 以通過測(cè)定無線電波的頻率得到，根據(jù)波長與距離的換算關(guān)系，結(jié)算出相位延遲所對(duì)應(yīng)的距離。檢測(cè)相位差用 ? 表示。其掃描有效掃描范圍在 50m 內(nèi)，每秒可以獲得 500,000 個(gè)點(diǎn)云，精度可以達(dá)到毫米級(jí)?；谙辔粶y(cè)量原理如 圖 24 所示 。 圖 24 基于相位測(cè)距原理 2. 激光掃描系統(tǒng)。該類掃描儀系統(tǒng)其自身含有掃描棱鏡，因此不需反射棱鏡就可測(cè)得無合作目標(biāo)物體的距離與角度。三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)一般使用掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)，儀器中心為坐標(biāo)原點(diǎn) o，掃描儀橫向掃描面內(nèi)的坐標(biāo)軸為 X 軸，橫向掃描面內(nèi)與 X 軸垂直的