基于三維攝影掃描技術的幾何檢測研究

張曉婷

摘 ?要：隨著光技術，機電技術還有計算機技術的發展，三維掃描技術也迎來了巔峰。我們要了解一個物體的外形和結構，就可以利用三維掃描技術對它物體空間的外形及結構內部進行掃描。以前想要做到這樣是不可能的，但隨著三維掃描技術的崛起，這些事情變得觸手可及。它最大的意義在于能夠對物體的立體信息進行數據轉換，因為它能直接掃描物體模型，得到它的長寬高等一系列數據。不止這些規則的物體，還有一些幾何物體，通過三維掃描技術，就可以輕而易舉的得到這些數據。

關鍵詞：三維掃描;幾何模型;數據分析

一、三維攝影掃描技術國內外研究現狀

三維攝影掃描技術的研究在全世界已十分廣泛。在美國，瑞士，法國，加拿大，奧地利，英國等發達國家，有幾十家高新技術公司正在對三維攝影掃描技術測量進行研究。同時也已經形成了很多新興產業，并且有了較大規模。這些產業在測量精度，速度測繪作業等方面已經取得了很高的成就。隨著科技的不斷發展，三維攝影掃描技術也越來越成熟，在國內也運用廣泛。在一些塌方事故中，專家們要對塌方的土方量，體積和地形的變化要進行測量，這時候三維攝影掃描技術就派上了用場。在文物考古領域，專家們用三維攝影掃描技術對文物進行掃描，測量文物的數據，然后上傳到計算機上面，進行備案，為之后的工作產生了極大的便利。來自斯坦福大學和華盛頓大學的三十個學生，曾經利用三維攝影掃描技術對米開朗琪羅的大衛雕像進行測量，他們拍攝了三千多張照片，歷時一百工時，才完成了這項浩大的工程。三維攝影掃描技術能夠對物體的三維模型，在計算機上進行編輯和移動，在鑒定方面能夠對比，為鑒定領域提供了技術支持。

二、三維攝影掃描技術坐標轉換原理及實現

三維攝影掃描技術是需要把物體的坐標進行轉換，在直角坐標系中進行計算，將物體的模型轉換成一個個坐標。其中主要包括不同餐廳空間直角坐標系之間的換算，同時也包括同地心空間直角坐標系之間的換算。對于這個問題的研究，國內外各個大學的學者，付出了巨大的努力，在實驗室里不斷的探索，已經建立了多種數學模型。

兩個空間直角坐標系之間要進行轉換，首先要知道坐標之間的三個平移參數，如果坐標軸互不平行，那么還存在歐拉角參數，也就是三個旋轉角度的參數。這些參數都是不同的，與此同時就涉及到了轉換公式。比如說有布爾莎模型，范式公式等等。有了這些參數，還有這些轉換公式，接下來的工作就較為簡單了。只要利用計算機進行簡單的換算，就能很容易的進行坐標轉換。

三、點云數據的曲面擬合

我們進行三維攝影掃描技術的數據采集，就要運用到點云數據這一領域。由于在測量過程中物體偶爾會被其他物體遮擋，所以我們要從多個位置進行測量，獲取各個點的數據。將這些數據帶入到空間直角坐標系中才能進行計算，所以點云數據的拼接，在處理數據過程中是十分重要的。點云數據的曲面擬合工程，在工程、統計和計算機的圖形處理等方面的應用是十分廣泛的。大部分情況下我們進行三維攝影技術掃描，能夠得到一組離散數據點，也就是即將在空間直角坐標系中用到的坐標值。這些坐標的數據并非一定是對的，而且函數的表達式也是一開始不知道的，所以接下來我們要對這些測量得到的數據進行曲面擬合。這些數據之間偶爾也會存在誤差，所以并不是需要我們測量所得的所有數據，而是只要滿足曲面誤差范圍內的一些數據。在現有的技術手段下，我們會用到最小二乘方法，用這個方法能夠使誤差的平方和最小，同時我們也能得到一個線性方程組，我們對這個線性方程組進行求解，就能得到擬合曲面方程。

四、點云數據的獲取

本文我們就以一個螺母柱為例子，來說明云數據是怎么獲取的。我們首先要用三維攝影掃描技術對螺母的三個表面進行測量掃描。在這個基礎上用專業的工程軟件進行擬合。三維攝影掃描技術的基本流程是這樣的。首先要將反光劑噴到被測量的物體上，貼標志點。第二步我們要貼編碼點，用單反相機從多個角度進行拍攝，然后得到框架數據。第三步，我們用三維掃描儀一個一個掃描，才能得到物體完整的云數據。第四步，我們用軟件對云數據進行處理，封裝三角面。最后一步我們用軟件進行擬合測量。在這一過程中，由于光學測量需要用到顯影劑，因此會形成啞光面，所以我們才能進行貼標志點和編碼點。在這個過程中，點云數據的獲取需要分為兩個階段。首先就是進行三維攝影階段，第二步就是三維掃描階段。在第一步過程中我們利用像素高分辨率高的攝像機，對物體多個角度進行拍攝，來獲取物體的框架結構。有了這個框架結構，我們就能進行掃描來獲得數據。三維掃描階段其實就是利用攝影來得到的框架結構進行掃描，然后把這些數據進行拼接，最終得到點云數據。有了這些數據，當然要進行數據分析，美國Geomagic公司的軟件能夠對這些數據進行分析。它的功能主要就是篩選不必要的污點雜點，最重要的就是減少噪聲。在不影響模型表面的基礎上，通過這個軟件的處理，能夠減少大部分不必要的數據，從而加快處理速度。

五、總結

三維攝影掃描技術在幾何檢測領域的應用十分廣泛，它強大的優勢，還待進一步的開發利用。在軟件和硬件的開發應用上，我們還需要不斷的研究完善。三維攝影掃描技術的精確要求是以毫米為精度的，目前我們在進行三維攝影掃描時會產生很大的誤差。所以提高獲取數據的精度性和可靠性，是三維攝影掃描技術未來的發展方向。

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課題項目：遼寧省交通高等?？茖W校技術應用型科研項目“基于攝影定位的三維掃描技術開發”（lnccjyky201910）