基于激光掃描技術的三維模型重建

劉友芹++岳文朝

摘 要：現在的科學技術日益發達，先進的技術在不斷改變著我們的生活和生產方式。尤其是電腦計算機網絡的發展，在此基礎上開發了很多的辦公軟件，這樣極大方便了我們的生活?，F在的三維激光掃描的技術很方便，在建模的時候用這個技術極大幫助我們在工業測量或者是文物的修復上面。本文分析了三維激光的掃描系統作業的過程，通過點云的數據，進行處理，得到建筑物的信息參數，之后再構建三維的模型，這樣就進行了建筑物的建模。

關鍵詞：激光掃描技術 點云數據處理 三維建模

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

現在科學技術十分發達，先進的技術和儀器設備改變了我們的生活。在工作中也越來越離不開這些先進的技術了。三維激光掃描技術的出現，讓我們在空間信息的獲取上有了新的突破。現在得到的空間信息，很大程度上是依靠三維激光掃描技術。從20世紀80年代開始，就有了激光的測量技術，這項技術有很多的優點，比如方向更準確、亮度更高，所以受到青睞。技術繼續發展，以后大家已經不能滿足于點對點的模式了。所以，后來人們繼續研究，發展到了能夠獲得很多采樣點的三維空間的坐標，這就是通過三維激光掃描來實現的。這個技術現在也是一種實景的復制技術。它的問世，引發了測繪行業的技術革命。因為它改變了以前的單點測量的模式，實現了三維圖形的繪制。這項技術從20世紀90年代開始應用，現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，主要包括激光的測距儀，還有相關測量角度的系統組成等。這個儀器能夠應對復雜的現場情況，通過對空間里面的物體進行快速大掃描，就能夠得到一些數據。這些數據是通過激光的點進行接觸，包括水平的方向，還有豎直的方向，測量好了數據就能夠自動儲存起來。經過進一步的計算，知道了點云的數據。這個儀器特別強大，最遠能夠測量千米以外的物體，而且它的工作頻率1s能夠達到幾十萬次，這是十分驚人的。它在豎直方向上面可以達到90度。在垂直于豎直方向的平面上，能夠進行360度的旋轉。所以，掃描的范圍很大。掃描以后，數據通過TCPhP協議進行上傳，進入到計算機里面。還有一些相機拍攝的圖片，我們可以把存儲卡里面的圖片傳播到電腦里面。計算機把測量的點云數據處理以后，就可以用畫圖工具進行畫圖了。建筑物的三維模型就能夠出來了。三維坐標就是由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里面主要有三部分，掃描儀、計算機，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，還有激光的掃描儀器，這些系統自己就可以進行數據的控制還有校正處理。儀器里面有兩個反射鏡子，能夠同時工作，它們在工作的時候不停地旋轉，這樣，就把脈沖發射出去的激光掃描出來了，這些激光脈沖從發射到返回是有一定的時間的。計算這個時間，然后通過一定的公式就能計算出物體表面的距離。掃描儀里面有一定的編碼器，可以進行數據編碼。通過測量激光脈沖在橫向上和豎直方向上進行掃描時候的角度，就能夠得到被測的云點的三維坐標。激光掃描系統里面不僅能夠得到角度和距離，還能夠得到一些反射強度的數據，這樣就能夠給那些反射的點進行顏色的配比了。有時候，就要把公共的點也應用起來，因為在不同的站點時候，需要變換數據。這樣，就能夠把不同站點測量的數據放到一個坐標里面去。對待公共的點，通常用球形的目標，而那些點云的數據，就通過特殊的合適保存在電腦里。所以，購買軟件的時候，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都是很好的數據處理軟件。它們都能進行數據的測量和處理還有三維建模等。

2 建模過程

2.1 數據獲取

從空間采集數據是一項專業性非常強的工作?，F在的激光掃描非常先進，能夠準確得到三維空間里的點集。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，實現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，得到最佳的信息。我們把采集到的點進行繪制，在一個坐標系里集合起來。這樣我們就得到了一系列的點云。

2.2 數據處理

我們對采集到的數據要進行合理的處理，這就包括對這些點進行一些有關信息的提取還有去噪聲。有些識別方面不是很對，也要進行改正。這時候，我們需要注意，我們不光要弄清楚建筑物里面的數據，也要把建筑物周圍進行研究和分析，這些數據也要得到。只有這樣才能把建筑物從周圍環境里面提取出來，方便我們以后的工作。所以，要用合適的分離辦法進行提取數據的工作。有些數值比儀器的高度小。那么我們就把這些數看成是地形的點。反之，就看成是地物的點。一定要進行數據的去噪聲。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。我們現在主要用軟件RISCAN PRO做去噪聲的工作。這時候，我們就要根據激光掃描的情況去辨別了。看看回來時候的信號是大是小，要是比標準值小的話，這個值就是沒有意義的。這時候就要進行過濾，去除那些不正常的值。在有必要的時候，我們也會利用曲面擬合的辦法，這樣把那些遮擋物的數據去除掉。我們就是用得到的特殊的點和特殊的面去構建建筑物的平面圖。

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，把原來的數據拆開，重新采取數據。這樣，我們就能夠得到更加準確的數據，可以讓我們更加了解建筑物的情況。進行重新采樣的時候，具體的工作順序是，先進行掃描，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。然后我們繼續工作，進行檢驗，主要是查看深度，還有擬合的那些點在方向上面是不是連續的，如果是連續的，那么就生成邊緣的映射圖像。這樣進一步工作，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。所以，繼續工作，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。這時候，要看用戶的需求，把距離上的圖像進行等分。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，就把這些不同坐標系里面的點進行坐標的轉換，放到一個坐標系里面，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據充分展現在模型里面。在這個工具里面，就有了不同的坐標的位移，還有法向量等。進行紋理映射功能就是要先找到紋理的特點，然后形成合適的特征圖像，同時把這個圖像和三維建模里面的映射建立一種關系，從而可以把映射到模型進行運算。

3 結語

綜上所述，我們知道了激光掃描技術能夠對物體進行三維模型的建立，極大方便了我們的工作。

參考文獻

[1] 石宜輝.敦煌石窟文物的數字化獲取與展示[D].杭州：浙江大學，2002.

[2] 張獻穎.計算機輔助文物復原關鍵技術研究[D].西安：西北大學，2003.

[3] 吳海毓.三維激光掃描技術在古建數字化保護中的應用[D].北京：北京建筑工程學院，2008.

[4] 程飛.幾何紋理技術及應用的研究[D].合肥：合肥工業大學，2006.

[5] 張強.三維重建中紋理映射的研究[D].長沙：中南大學， 2009.

[6] 王霄.逆向工程技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2004.

[7] 曹智軍.自由曲面逆向工程技術的研究[D].鄭州：鄭州大學，2003.endprint