基于三维激光扫描数据的三维模型重建技术研究论文

基于三维激光扫描数据的三维模型重建技术研究论文内容摘要：

和外形尺寸以及文物的纹理色彩信息。 并且 这些信息重建的文物模型为文物长期保存、传输、再现、复制、查阅和交流带来了极大的方便。 在不直接接触文物的条件下，我们可以对其进行研究，这是传统数据获取手段不可比拟的优势。 利用这些三维模型，为文物修复和复制带来便利。 如果将文物立体色彩数字模型输入到虚拟系统中，可建立数字虚拟博物馆。 2. 在逆向工程领域： 逆向工程 (Reverse Engineering RE)，也称 反求工程。 他是 根据已有 实体模型 ，通过 反求技术， 推导 出设计 产品的数据过程，这正是三维扫描重建技术研究的内容。 通过三维扫描仪获取实体表面点的三维坐 标，将数据输入到 CAD/CAM 系统，在 CAD 系统中对数据进行修补、修正、调整后将数据传输到数控加工设备中，在短时间内即可仿制一件与真实物品十2 于明旭 基于三维激光扫描数据的三维模型重建技术研究 2020. 5 分相似的产品，这不但提高产品生产速度和精度，而且可以缩短设计周期，带来巨大社会和经济效益。 3. 在虚拟现实领域： 通过三维扫描技术采集场景立体模型，将它输入三维动画软件，形成数字化“虚拟现实”。 随着仿真系统的使用范围越来越广泛，三维彩色模型的需求量越来越大，因此，三维扫描仪获得的彩色场景立体模型在这一领域应用越来越广泛。 基于激光扫描数据构建的三维模型，可以完全满足 小到数字化零部件、大到数字化地球重建的需要。 随着科学技术的不断发展，基于三维激光数据的重建技术将在更多领域得到广泛应用，同时也将成为诸多学者研究的热点。 可以预言，三维激光扫描技术将在真实世界的三维重建中发挥不可估量的作用。 选题目的及意义 近年来，随着激光扫描技术的快速发展及其成本逐步降低，三维激光扫描数据重建技术在国内外迅速推广，我国的（ 863 计划）高科技发展计划十分重视这项技术，众多科研所、高等院校以及生产单位已经拉开研究的序幕。 本文利用三维激光扫描技术获取的点云数据进行三维模型重建，旨在 解决三维激光点云数据获取、点云数据预处理、点云数据配准、点云数据融合与表面模型重建及纹理映射方面问题，探索出高效、精确的三维扫描建模流程，研究场景建模关键技术，积累点云数据处理经验，为后续科研做准备。 167。 研究现状及存在问题 三维扫描重建技术研究现状 目前，随着三维激光扫描技术不断发展，快速、高效地采集客观场景三维信息已成为现实。 利用三维激光扫描技术获取实体相关信息可满足以下要求：第一，保证所获取的扫描数据客观真实、科学准确；第二，扫描数据有多种格式，为多层次应用提供了必要条件 ，同时满足三维建模研究和展示等多层次需要。 实践证明，通过三维激光扫描技术采集三维信息构建的三维模型是客观场景三维信息采集、整合、分析和处理手段的一次具有重要意义的变革。 三维激光扫描技术在三维重建领域的应用具有重大的现实和历史意义，能够在不接触真实实体而记录实物信息，快速再现物体原貌。 在数据采集过程中，由于种种原因，反映实体形状的数据不可避免地会有所丢失，而三维激光扫描技术不仅记录扫描物体原始的三维信息，还可以通过 CCD 数码相机同步记录纹理信息，这为重建高精度三维模型提供必要条件。 三维激光扫描技术通过密集采样 实现以点云来表达空间目标的三维轮廓特征，凭借其快速、高效、高精度、全天候等优点，为三维重建的顺利进行提供了可靠的数据保证。 因此 国内外诸多学者 在三维激光扫描技术领域开展了一系列三维重建实践工作。 美国、瑞士、加拿大、法国等国家在三维激光扫描技术研究和应用方面起步早，无论在理论还是在应用领域都有相当的积累和一定规模。 美国 Cyberware 公司与华盛顿大学、斯坦福大学共同实施数字米开朗基罗计划 [23]，使用三维扫描技术重建了米开朗基罗塑造大型塑 中国地质大学硕士学位论文 3 像，此项工作被纳入到罗马数字城市组建工作中，是三维激光扫描技术在三 维模型重建领域应用的先河。 瑞士的 Stamos 和 Aleln 等人利用三维激光扫描仪获取的数据，基于线特征的点云配准方法对圣皮埃尔大教堂进行全面的三维重建 [4]。 美国加大柏克莱分校的研究员 Frueh等人将航空激光三维扫描数据和地面的车载激光扫描数据进行融合，制作三维模型 [5]。 加拿大 NRC(加拿大国家研究委员会 )的 EIHakiml[6]等人对 CCD 照相机和激光扫描仪重新组装，使用自己的硬件平台，制作三维建模系统 [7]。 近年来，我国在三维重建领域也开展了一系列三维激光扫描技术应用实践工作，一些科研单位将三维激 光扫描技术应用于建筑物三维重建，工业零件设计模型重建，文物保护等领域。 李必军等利用从三维激光扫描数据中提取的建筑物特征线恢复建筑物三维模型 [8]。 在考古方面开展大量的研究工作，如故宫博物院古建筑数字建模项目已经建成，它是目前世界上规模较大的基于三维激光扫描数据表面模型重建作品。 洛阳龙门石窟研究院利用三维激光扫描技术建立的数字档案。 秦俑二号坑遗址的发掘引入地面三维激光扫描技术 [9]。 武汉大学遥感实验室利用三维激光扫描技术对西安敦煌石窟进行模型重建。 这些工作为我国三维激光扫描技术在模型重建领域的研究和应用奠定了 基础。 存在问题 自三维激光扫描技术诞生至今已有二十余年历史，国内外相关学者在三维激光扫描重建技术领域展开了深入的研究，取得了瞩目的成果，但也存在如下问题： 1. 点云 数据量大 是三维激光扫描重建技术的瓶颈问题之一。 2. 点云数据的配准算法虽然很多，但算法的通用性差，限制条件多，目前没有统一的标准评定配准精度。 3. 三维激光扫描重建 后的模型细节问题还有待于进一步研究。 167。 本文研究目标与主要内容 本文主要从三维激光扫描数据处理及三维模型重建两个方面展开研究。 为实现基于三维激光扫描数据快速建模 ，推动基于三维激光扫描数据的模型重建技术发展与应用，本文完成如下内容： 1. 介绍激光扫描仪获取三维信息的原理和流程以及三维激光扫描仪的发展趋势，此外列举了几款比较常用的三维激光扫描仪性能参数指标。 详细介绍 RIEGL VZ400 三维激光扫描系统软硬件特点及重建技术路线。 2. 重建核心问题在于点云数据处理和三维模型构建。 因此，点云数据处理和点云数据构造三维模型是本文研究的重点。 针对三维激光扫描数据特点，首先对数据进行预处理，之后配准，在配准中提出在粗配准基础上进行 ICP 算法精配准，在 ICP 算法中如果初始位姿选择不准确 ， ICP 算法很有可能陷入局部收敛，而不是全局收敛。 所以本文在给出初始位姿估计方法的基础上，给出了基于间接平差的 ICP 算法，不但可以保障 ICP 算法全局收敛，而且可以减少算法耗时，提高算法效率，优化传统 ICP 算法。 3. 对于配准之后的深度数据进行三维模型重建。 目前基于点云的三维重建，大都是通过Delaunay 三角网 格重建算法构造出三维表面网格模型。 本文尝试基于 Delaunay 三角网剖分4 于明旭 基于三维激光扫描数据的三维模型重建技术研究 2020. 5 模型重建，在 Geomagic Studio 系统中以人机交互的方式构造出三维模型，实现点云数据三维重建。 167。 本文结构与安排 本文共六章，按照下列章节进行组织： 第一章：绪论。 介绍了论文的选题背景、选题目的及意义，回顾三维激光扫描重建技术的国内外研究现状，对已有研究的分析与总结，给出了本文的研究目标与主要内容，最后介绍了本文的结构与安排。 第二章：三维激光点云数据模型重建技术研究。 阐述了获取点云数据的软硬件设备，介绍了三维激光扫描仪的工作原理以及常用的三维激光扫描设备的分类，针对本文内容，介绍几个常用的基本概念，在此基础上，介绍了点云数据的表示方法及特点，最后给出了点云数据三维重建流程与技术路线。 第三章：点云数据预处理。 介绍了点云数据预处理的基本步骤，重点研究了点云数据的平移、旋转、缩放、滤波与补洞以及点云数据删除，有效地减少了冗余的点云数据，对后续数据的处理奠定了基础，本章最后给出实际应用例子。 第四章：点云数据配准。 首先阐述了点云数据配准研究的现状、配准定义、配准原理以及本文使用的配准误差解算模型，重点研究了基于同名点的数据配准，并给出了配准后的精度。 接着介绍了基于 ICP 算法的配准方法，并给出了基于间接平差的 ICP 算法，对于配准后的数据进行融合处理，最后给出实际应用例子。 第五 章：三维模型重建。 首先概述了三维模型重建方法，在此基础上，详细介绍了基于点云数据的三维模型重建方法，介绍 Delaunay 三角网剖分，本文尝试基于 Delaunay 三角网剖分的 三维表面网格模型重建，在 Geomagic Studio 10 系统中以人机交互的方式构造出三维模型，实现点云数据快速重建三维表面重建。 最后给出实际应用例子。 第六章：结论与展望。 总结全文，展望今后研究方向。 中国地质大学硕士学位论文 5 第二章 点云数据模型重建处理流程 167。 点云数据获取 在三维重建中，如何快 速、精确获得物体的三维信息是三维激光扫描技术关键之一。 对此，众多学者在该领域进行探索和研究，总结出多种数据获取方法，三维点云数据获取方法与三维扫描仪装置性能、构造、适用范围、成本等有直接关系。 自本世纪初，多种表面三维扫描方法应运而生，总体而言，三维扫描仪的扫描方法可分为非接触式和接触式两大类。 根据非接触式扫描仪测量原理的不同，可划分为电磁波测量、光电学测量、超声波测量等不同测距方法；接触式测量主要有机械臂和铣削测量机、三坐标测量机 (CMM)等。 根据扫描仪中激光测距系统不同，三维激光扫描仪又可分为基于时间法、 三角法、脉冲法、结构光法、图像分析法测距，分类如图 21 所示。 图 21 扫描方法分类 三维激光扫描工作原理 三维激光扫描系统核心部分是三维激光扫描仪，其附属设备包括数码相机、数据处理软件、扫描仪旋转控制平台、电源、支架、内部校正系统等。 激光测距系统以及激光扫描系统是三维激光扫描仪自身重要组成部分。 1. 激光测距系统。 脉冲式测距、激光三角法测距以及相位式测距是激光测距常用的三种方扫描方法 非接触式 接触式 超声波 电磁波 激光 三角法 测距法 脉冲法 结构光法 图像分析法 相位法 CMM 铣削测 量机 机械臂 6 于明旭 基于三维激光扫描数据的三维模型重建技术研究 2020. 5 法。 ①脉冲式测距 由三维激光扫描仪系统内部激光 脉冲二极管以每秒几万点速度发射激光脉冲，激光脉冲经过系统内部快速旋转的棱镜，以激光束的形式射向被扫描场景，然后由系统内部探测器接收由场景表面反射回来的激光脉冲① (如图 22 所示 )。 通过发射和接收激光脉冲时间差解算出被测场景与三维激光扫描仪内部中心的距离，其测距公式为 (21)式。 ctS 21 （ 21） 其中，测量距离为 S ，光速为 c ，测距脉冲往返时间为 t。 使用基于时间测量原理的三维激光扫描测距系统测距范围一般为 100m~500m，有时可达到 1000m 以上，每秒可以获得 10,000~100,000 个点云，精度可以达到毫米级。 目前，大多数激光扫描仪采用此工作方式，例如： Riegl 公司的 LMSZ420i， RieglVZ400， Leica 公司的 Cyrax2500， HDS3000，法国 Mensi 公司的 GS 100 以及 Optech 公司 ILRIS3D 等三 维激光扫描仪。 基于时间测量原理如图 22 所示。 图 22 基于时间测距原理 ②激光三角法测距 光学三角测量又称激光雷达原理法测距。 光学三角测量是利用三角形几何关系解算出三维激光扫描仪自身坐标系中心与扫描场景间距离，由目标反射点、数码相机感光元件接收装置及激光发射器组成三角关系。 因此，目标场景距离可以通过 CCD 与激光发射器之间固定基线长度、激光发射信号与反射信号之间的夹角求解，三角法测量的基本原理如图 23 所示。 它适用于近距离测程范围为 几米到几十米，主要用于逆向工程重建和工业测量，可以达到亚毫米级的精度。 目前， Vitana 公司的 3D Body Measurement 型、法国 Mensi 公司的 S1825型、 Steinbicbler 公司的 COMETTScan、 INTECU 公司的 CyLan701 和 CyLan3D 型等三维激光扫描仪测距系统都是属于激光三角法测距原理的扫描仪。 激光发射器 / 接收器 棱镜 目标物 中国地质大学硕士学位论文。