三維激光掃描技術(shù)

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1、三維激光掃描技術(shù)摘要：三維激光掃描技術(shù)由于其掃描速度快、直接獲得數(shù)字信息、非接觸性、掃描效率高、使用簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，使其在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)、科技研究、生活等各方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文簡(jiǎn)單介紹了三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，并從幾個(gè)方面介紹了三維激光掃描技術(shù)的原理，以及三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)和現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：三維激光掃描原理特點(diǎn)應(yīng)用1、三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介三維激光掃描技術(shù)Three-DimensionalLaserScanTechnology，又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象

2、表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)?？梢钥焖?、大量的采集空間點(diǎn)位信息，快速建立物體的三維影像模型的一種技術(shù)手段。隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，三維測(cè)量在應(yīng)用中越來(lái)越重要，三維激光掃描技術(shù)是伴隨這激光掃描技術(shù)、三維測(cè)量技術(shù)以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的。2、三維激光掃技術(shù)的優(yōu)勢(shì)（1）三維測(cè)量:傳統(tǒng)測(cè)量概念里，所測(cè)的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如CAD出圖），在現(xiàn)在測(cè)量?jī)x器里全站儀，GPS比重居多，但測(cè)量的數(shù)據(jù)都是二維形式的，在逐步數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)逐漸的代替二維，因?yàn)槠渲庇^是二維無(wú)法表示的，現(xiàn)在的三維激光掃描儀每次測(cè)量的數(shù)據(jù)不僅僅包含

3、X,Y,Z點(diǎn)的信息，還包括R,G,B顏色信息，同時(shí)還有物體反色率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實(shí)再現(xiàn)的感覺(jué)，是一般測(cè)量手段無(wú)法做到的。（2）快速掃描:快速掃描是掃描儀誕生產(chǎn)生的概念，在常規(guī)測(cè)量手段里，每一點(diǎn)的測(cè)量費(fèi)時(shí)都在2-5秒不等，更甚者，要花幾分鐘的時(shí)間對(duì)一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，在數(shù)字化的今天，這樣的測(cè)量速度已經(jīng)不能滿足測(cè)量的需求，三維激光掃描儀的誕生改變了這一現(xiàn)狀，最初每秒1000點(diǎn)的測(cè)量速度已經(jīng)讓測(cè)量界大為驚嘆，而現(xiàn)在脈沖掃描儀（scanstation2）最大速度已經(jīng)達(dá)到50000點(diǎn)每秒，相位式掃描儀Surpha

4、ser三維激光掃描儀最高速度已經(jīng)達(dá)到120萬(wàn)點(diǎn)每秒，這是三維激光掃描儀對(duì)物體詳細(xì)描述的基本保證，古文體，工廠管道，隧道，地形等復(fù)雜的領(lǐng)域無(wú)法測(cè)量已經(jīng)成為過(guò)去式。3、三維激光掃描技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外在這方面起步比較早，技術(shù)已比較成熟。1994年，M．Levovy和他的小組利用三角原理的激光掃描儀和高分辨率的彩色圖像獲取并重建了Michelangelo的主要雕塑品，并提出了一系列相關(guān)的技術(shù)。1997年，加拿大NRC（NationalResearchCouncil）的El-Halkim構(gòu)建了自己的硬件平臺(tái)，他們將激光掃描儀和CCD照相

5、機(jī)固定在小車(chē)上，得到了一個(gè)數(shù)據(jù)采集和配準(zhǔn)系統(tǒng)，并于1998年在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)室內(nèi)的三維建模系統(tǒng)。2001年，Y．YU等人在對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景建模的同時(shí)，將場(chǎng)景的一些實(shí)現(xiàn)提取出來(lái)，并對(duì)物體的三維模型提供了編輯和一定功能。2002年，I．Stamos和P.K.Allen實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能同時(shí)獲得室外大型建筑的深度圖像和彩色圖像，并最終會(huì)付出建筑物具有照片真實(shí)感的三維模型。除此之外，F(xiàn)ruh等人使用2D激光掃描儀、數(shù)碼照像機(jī)并同時(shí)借助航空?qǐng)D像和航空激光掃描數(shù)據(jù)恢復(fù)了建筑物屋頂帶有色彩的集合模型，得到了更為完整的街區(qū)三維模型

6、。國(guó)內(nèi)對(duì)于三維激光掃描重建技術(shù)起步比較晚，但是也在部分領(lǐng)域取得一定的成果。自2000年起至今，北京大學(xué)的三位視覺(jué)與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室使用具有不同掃描特性的激光掃描儀，全方位攝像系統(tǒng)與高分辨率照相機(jī)完成了建模對(duì)象集合于紋理采集并通過(guò)這些數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與無(wú)縫拼接完成了三維物體模型的建立。2005年，首都師范大學(xué)三維空間信息獲取與地學(xué)應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室給出了一種基于激光掃描數(shù)據(jù)的室外場(chǎng)景表面重建方法，該方法可以完成建筑物單一表面的重建。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于三維激光掃描技術(shù)的研究均受到復(fù)雜場(chǎng)景的幾何結(jié)構(gòu)、未知物體表面反射特性、變化的光照條件、復(fù)雜的地形以

7、及不規(guī)則的未知遮擋物等限制，因此如何快速而又精確的掃描出復(fù)雜的三維物體仍是研究該技術(shù)的關(guān)鍵。4、三維激光掃描技術(shù)的原理三維激光掃描儀則是對(duì)確定目標(biāo)的整體或局部進(jìn)行完整的三維坐標(biāo)據(jù)測(cè)量,這就意味著激光測(cè)量單元必須進(jìn)行從左到右,從上到下的全自動(dòng)高精度步進(jìn)測(cè)量(即掃描測(cè)量),進(jìn)而得到完整的、全面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),這些密集而連續(xù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)也叫做/點(diǎn)云。這也就使三維激光掃描測(cè)量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍,這個(gè)飛躍也意味著三維激光掃描技術(shù)可以真實(shí)描述目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性,并通過(guò)掃描測(cè)量點(diǎn)云編織出的/外皮來(lái)逼近目標(biāo)的完整原形及矢量化數(shù)據(jù)

8、結(jié)構(gòu),這里統(tǒng)稱為目標(biāo)的三維重建。如圖1所示，將O點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，P(x,y,z)是空間內(nèi)任一點(diǎn)，從O點(diǎn)發(fā)射出去的激光光束的水平方向與X軸的夾角α和垂直方向Z軸角度θ，得到掃描點(diǎn)到儀器的距離值S，就可以計(jì)算出P點(diǎn)空間點(diǎn)坐標(biāo)信