三維激光掃描技術(shù)課件

三維激光掃描技術(shù)1ppt課件三維激光掃描技術(shù)1ppt課件1三維激光掃描技術(shù)2三維激光掃描的原理3三維激光掃描系統(tǒng)組成4三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)5三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展趨勢6激光掃描技術(shù)的應(yīng)用2ppt課件1三維激光掃描技術(shù)2ppt課件1激光三維掃描技術(shù)三維激光掃描技術(shù)，又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。它通過激光掃描測量的方法，獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。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。3ppt課件1激光三維掃描技術(shù)三維激光掃描技術(shù)，又稱“實(shí)景復(fù)為什么要使用光三維掃描技術(shù)？三維測量：傳統(tǒng)測量所測的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如CAD出圖）。數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)代替二維。三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)直接包含點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息甚至還有其他關(guān)鍵信息。快速掃描：常規(guī)測量手段里，一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測量時(shí)間長。測量速度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代測量的需求。三維激光測量速度極快。用途：

通過三維激光掃描，獲得被測目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)。4ppt課件為什么要使用光三維掃描技術(shù)？4ppt課件

原始圖像

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像

（

點(diǎn)云數(shù)據(jù)：掃描資料以點(diǎn)的形式記錄，每一個(gè)點(diǎn)包含有三維坐標(biāo)，甚至其它信息）

三維重構(gòu)5ppt課件5ppt課件2三維激光掃描的原理

三維激光掃描：對確定目標(biāo)完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測量,全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)（點(diǎn)云數(shù)據(jù)）。為了獲得被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，其測量原理主要分為測距、角位移、掃描、定向四個(gè)方面。6ppt課件2三維激光掃描的原理

三維激光掃描：對確定目標(biāo)完整的三維坐2.1測距方法激光測距對于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作用。測距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。

2.1.1三角測距法:三角法測距是借助三角形幾何關(guān)系，求得掃描中心到掃描對象的距離。L：基線長；γ：發(fā)射光線與基線的夾角；λ：入射光線與基線的夾角；α激光掃描儀的軸向自旋轉(zhuǎn)角度三角法測量距離較短，適合于近距測量.測量范圍幾厘米到幾米，精度可達(dá)微米級7ppt課件2.1測距方法7ppt課件2.1.2脈沖測距法脈沖測距法是通過測量發(fā)射和接收激光脈沖信號的時(shí)間差來間接獲得被測目標(biāo)的距離。C：光速;△t:測得激光信號往返傳播的時(shí)間差

脈沖法的測量距離較遠(yuǎn)（幾十米到幾百千米），但是其測距精度較低（厘米級），現(xiàn)在大多數(shù)三維激光掃描儀都使用這種測距方式.8ppt課件2.1.2脈沖測距法8ppt課件2.1.3相位測距法相位測距法通過測定調(diào)制光信號在被測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，間接測定往返時(shí)間，并進(jìn)一步計(jì)算出被測距離。C：光速?：激光信號往返傳播產(chǎn)生的相位差f：脈沖的頻率相位測距方法是一種間接測距方式，測距精度較高（毫米數(shù)量級），主要應(yīng)用在精密測量和醫(yī)學(xué)研究，精度可達(dá)到毫米級。9ppt課件2.1.3相位測距法9ppt課件脈沖測距法和相位測距法測得距離向坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換原理

X=ScosθcosαY＝ScosθsinαZ＝Ssinθ

α：發(fā)射激光光束的水平方向和x軸夾角角度；θ：發(fā)射激光光束垂直方向角度；S：掃描點(diǎn)到儀器的距離值；

三種測距法的比較10ppt課件脈沖測距法和相位測距法測得距離向坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換原理10ppt課件2.2測角方法2.2.1角位移測量法掃描儀工作是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的，由步進(jìn)電機(jī)步距角和步數(shù)，獲得角位移。

步進(jìn)電機(jī)步距角Nr：電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù);m:電機(jī)的相數(shù)；b是各種連接繞組的線路狀態(tài)數(shù)及運(yùn)行拍數(shù)。

得到θb的基礎(chǔ)上，可得掃描棱鏡轉(zhuǎn)過的角度值，進(jìn)而得每個(gè)激光脈沖橫向、縱向掃描角度觀測值為α、θ。3.2.2線位移測量法適用于：系統(tǒng)由激光發(fā)射器，直角棱鏡和CCD元件組成。

當(dāng)三維激光掃描儀轉(zhuǎn)動時(shí)，出射的激光束將形成線性的掃描區(qū)域，CCD記錄線位移量，根據(jù)其與距離S的比值則可得掃描角度值。11ppt課件2.2測角方法11ppt課件2.3掃描方法

三維激光掃描儀通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動，決定激光束出射方向，從而使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。掃描控制裝置主要有：擺動掃描鏡、旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。

擺動掃描鏡為平面反射鏡，由電機(jī)驅(qū)動往返振蕩，掃描速度較慢，適合高精度測量。

旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡在電機(jī)驅(qū)動下繞自身對稱軸勻速旋轉(zhuǎn)，掃描速度快。12ppt課件2.3掃描方法12ppt課件2.4轉(zhuǎn)換方法將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，這個(gè)過程就稱為三維激光掃描儀的定向。

在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，設(shè)立特制的定向識別標(biāo)志，通過計(jì)算識別標(biāo)志的中心坐標(biāo)，采用公共點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。13ppt課件2.4轉(zhuǎn)換方法13ppt課件Oc成像透視中心，物鏡的光學(xué)主點(diǎn)；Oc-xcyczc：原攝像機(jī)坐標(biāo)系；Ow-xwywzw：世界坐標(biāo)系，Pw（xw,yw,zw）：世界坐標(biāo)系上的空間點(diǎn)；Pn(Xn,Yn)：CCD傳感器相面坐標(biāo)；由于鏡頭畸變實(shí)際成像點(diǎn)Pd（Xd，Yd）；成像于計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)中像坐標(biāo)為（u，v）。14ppt課件14ppt課件空間任意一點(diǎn)世界坐標(biāo)與對應(yīng)計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)中像素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系：k是鏡頭徑向畸變系數(shù);dx和dy

分別是水平和垂直方向上CCD感光陣列的像元間距;

sx是由于圖像采集掃描或抽樣時(shí)延誤差而引起的水平方向不確定比例因子uo、vo為像面中心(透視中心在計(jì)算機(jī)圖像的像素坐標(biāo))。所有參數(shù)中：f，sx，k，dx

，dy，uo，vo

為攝像機(jī)參數(shù)，需要通過攝像機(jī)標(biāo)定確定。光平面參數(shù)r1,r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9,

tx,ty,tz表示從攝像機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過光平面標(biāo)定確定15ppt課件空間任意一點(diǎn)世界坐標(biāo)與對應(yīng)計(jì)算像素坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的映射:按照坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，從已知的像素坐標(biāo)數(shù)據(jù)(u,v)（即（Xn，Yn）），求取對應(yīng)點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下坐標(biāo)(xw,yw,zw).16ppt課件像素坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的映射:16ppt課件獲得點(diǎn)云信息后點(diǎn)云信息處理、模型的三維重建17ppt課件獲得點(diǎn)云信息后點(diǎn)云信息處理、模型的三維重建17ppt課件3

三維激光掃描系統(tǒng)組成

三維激光掃描系統(tǒng)組成：一般是由激光發(fā)射器、接收器，激光自適應(yīng)聚焦控制單元，光路調(diào)節(jié)裝置，光機(jī)電自動傳感裝置，以及后續(xù)處理用的計(jì)算機(jī)等。

一種三維激光掃描系統(tǒng)圖：18ppt課件3三維激光掃描系統(tǒng)組成

三維激光掃描系統(tǒng)組成儀器性能指標(biāo)舉例——徠卡ScanStation219ppt課件儀器性能指標(biāo)舉例——徠卡ScanStation219ppt課4三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

非接觸測量數(shù)據(jù)采樣率高主動發(fā)射掃描光源，不受掃描環(huán)境的影響具有高分辨率數(shù)字化采集,兼容性好易擴(kuò)展性，易于和其他設(shè)備結(jié)合20ppt課件4三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

非接觸測量20ppt課件5三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展趨勢（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件的公用化和多功能化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享及海量數(shù)據(jù)處理；（2）在硬件固定的情況下，測量方法和算法上提高精度，多種方法相結(jié)合；（3）進(jìn)一步擴(kuò)大掃描范圍，實(shí)現(xiàn)全圓球掃描，獲得被測景物空間三維虛擬實(shí)體顯示；（4）與其他測量設(shè)備（如GPS、IMU、全站儀等）聯(lián)合測量，實(shí)時(shí)定位、導(dǎo)航，并擴(kuò)大測程和提高精度；（5）三維激光掃描儀與攝像機(jī)的集成化，在掃描的同時(shí)獲得物體影像，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像的匹配精度；（6）多源數(shù)據(jù)的智能化融合處理及多傳感器的集成21ppt課件5三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展趨勢（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件的6三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用（1）測繪工程領(lǐng)域（2）結(jié)構(gòu)測量方面（3）娛樂業(yè)22ppt課件6三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用（1）測繪工程領(lǐng)域22ppt課件（4）建筑、古跡測量方面（5）緊急服務(wù)業(yè)

（6）采礦業(yè)23ppt課件（4）建筑、古跡測量方面23ppt課件Thankyou24ppt課件Thankyou24ppt課件三維激光掃描技術(shù)25ppt課件三維激光掃描技術(shù)1ppt課件1三維激光掃描技術(shù)2三維激光掃描的原理3三維激光掃描系統(tǒng)組成4三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)5三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展趨勢6激光掃描技術(shù)的應(yīng)用26ppt課件1三維激光掃描技術(shù)2ppt課件1激光三維掃描技術(shù)三維激光掃描技術(shù)，又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。它通過激光掃描測量的方法，獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。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。27ppt課件1激光三維掃描技術(shù)三維激光掃描技術(shù)，又稱“實(shí)景復(fù)為什么要使用光三維掃描技術(shù)？三維測量：傳統(tǒng)測量所測的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如CAD出圖）。數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)代替二維。三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)直接包含點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息甚至還有其他關(guān)鍵信息?？焖賿呙瑁撼Ｒ?guī)測量手段里，一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測量時(shí)間長。測量速度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代測量的需求。三維激光測量速度極快。用途：

通過三維激光掃描，獲得被測目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)。28ppt課件為什么要使用光三維掃描技術(shù)？4ppt課件

原始圖像

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像

（

點(diǎn)云數(shù)據(jù)：掃描資料以點(diǎn)的形式記錄，每一個(gè)點(diǎn)包含有三維坐標(biāo)，甚至其它信息）

三維重構(gòu)29ppt課件5ppt課件2三維激光掃描的原理

三維激光掃描：對確定目標(biāo)完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測量,全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)（點(diǎn)云數(shù)據(jù)）。為了獲得被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，其測量原理主要分為測距、角位移、掃描、定向四個(gè)方面。30ppt課件2三維激光掃描的原理

三維激光掃描：對確定目標(biāo)完整的三維坐2.1測距方法激光測距對于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作用。測距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。

2.1.1三角測距法:三角法測距是借助三角形幾何關(guān)系，求得掃描中心到掃描對象的距離。L：基線長；γ：發(fā)射光線與基線的夾角；λ：入射光線與基線的夾角；α激光掃描儀的軸向自旋轉(zhuǎn)角度三角法測量距離較短，適合于近距測量.測量范圍幾厘米到幾米，精度可達(dá)微米級31ppt課件2.1測距方法7ppt課件2.1.2脈沖測距法脈沖測距法是通過測量發(fā)射和接收激光脈沖信號的時(shí)間差來間接獲得被測目標(biāo)的距離。C：光速;△t:測得激光信號往返傳播的時(shí)間差

脈沖法的測量距離較遠(yuǎn)（幾十米到幾百千米），但是其測距精度較低（厘米級），現(xiàn)在大多數(shù)三維激光掃描儀都使用這種測距方式.32ppt課件2.1.2脈沖測距法8ppt課件2.1.3相位測距法相位測距法通過測定調(diào)制光信號在被測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，間接測定往返時(shí)間，并進(jìn)一步計(jì)算出被測距離。C：光速?：激光信號往返傳播產(chǎn)生的相位差f：脈沖的頻率相位測距方法是一種間接測距方式，測距精度較高（毫米數(shù)量級），主要應(yīng)用在精密測量和醫(yī)學(xué)研究，精度可達(dá)到毫米級。33ppt課件2.1.3相位測距法9ppt課件脈沖測距法和相位測距法測得距離向坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換原理

X=ScosθcosαY＝ScosθsinαZ＝Ssinθ

α：發(fā)射激光光束的水平方向和x軸夾角角度；θ：發(fā)射激光光束垂直方向角度；S：掃描點(diǎn)到儀器的距離值；

三種測距法的比較34ppt課件脈沖測距法和相位測距法測得距離向坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換原理10ppt課件2.2測角方法2.2.1角位移測量法掃描儀工作是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的，由步進(jìn)電機(jī)步距角和步數(shù)，獲得角位移。

步進(jìn)電機(jī)步距角Nr：電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù);m:電機(jī)的相數(shù)；b是各種連接繞組的線路狀態(tài)數(shù)及運(yùn)行拍數(shù)。

得到θb的基礎(chǔ)上，可得掃描棱鏡轉(zhuǎn)過的角度值，進(jìn)而得每個(gè)激光脈沖橫向、縱向掃描角度觀測值為α、θ。3.2.2線位移測量法適用于：系統(tǒng)由激光發(fā)射器，直角棱鏡和CCD元件組成。

當(dāng)三維激光掃描儀轉(zhuǎn)動時(shí)，出射的激光束將形成線性的掃描區(qū)域，CCD記錄線位移量，根據(jù)其與距離S的比值則可得掃描角度值。35ppt課件2.2測角方法11ppt課件2.3掃描方法

三維激光掃描儀通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動，決定激光束出射方向，從而使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。掃描控制裝置主要有：擺動掃描鏡、旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。

擺動掃描鏡為平面反射鏡，由電機(jī)驅(qū)動往返振蕩，掃描速度較慢，適合高精度測量。

旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡在電機(jī)驅(qū)動下繞自身對稱軸勻速旋轉(zhuǎn)，掃描速度快。36ppt課件2.3掃描方法12ppt課件2.4轉(zhuǎn)換方法將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，這個(gè)過程就稱為三維激光掃描儀的定向。

在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，設(shè)立特制的定向識別標(biāo)志，通過計(jì)算識別標(biāo)志的中心坐標(biāo)，采用公共點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。37ppt課件2.4轉(zhuǎn)換方法13ppt課件Oc成像透視中心，物鏡的光學(xué)主點(diǎn)；Oc-xcyczc：原攝像機(jī)坐標(biāo)系；Ow-xwywzw：世界坐標(biāo)系，Pw（xw,yw,zw）：世界坐標(biāo)系上的空間點(diǎn)；Pn(Xn,Yn)：CCD傳感器相面坐標(biāo)；由于鏡頭畸變實(shí)際成像點(diǎn)Pd（Xd，Yd）；成像于計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)中像坐標(biāo)為（u，v）。38ppt課件14ppt課件空間任意一點(diǎn)世界坐標(biāo)與對應(yīng)計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)中像素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系：k是鏡頭徑向畸變系數(shù);dx和dy

分別是水平和垂直方向上CCD感光陣列的像元間距;

sx是由于圖像采集掃描或抽樣時(shí)延誤差而引起的水平方向不確定比例因子uo、vo為像面中心(透視中心在計(jì)算機(jī)圖像的像素坐標(biāo))。所有參數(shù)中：f，sx，k，dx

，dy，uo，vo

為攝像機(jī)參數(shù)，需要通過攝像機(jī)標(biāo)定確定。光平面參數(shù)r1,r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9,

tx,ty,tz表示從攝像機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過光平面標(biāo)定確定39ppt課件空間任意一點(diǎn)世界坐標(biāo)與對應(yīng)計(jì)算像素坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的映射:按照坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，從已知的像素坐標(biāo)數(shù)據(jù)(u,v)（即（Xn，Yn）），求取對應(yīng)點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下坐標(biāo)(xw,yw,zw).40ppt課件像素坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的映射:16ppt課件獲得點(diǎn)云信息后點(diǎn)云信息處理、模型的三維重建41ppt課件獲得點(diǎn)云信息后點(diǎn)云信息處理、模型的三維重建17ppt課件3

三維激光掃描系統(tǒng)組成

三維激光掃描系統(tǒng)