基于激光點云數據的三維模型構建

基于激光點云數據的三維模型構建

1激光掃描系統(tǒng)的應用3d激光掃描技術是近年來迅速發(fā)展和成熟的一項高科技技術。這是gps技術的又一進步。三維激光測量技術的出現克服了傳統(tǒng)測量的局限性。它不僅能夠量取被測對象的長寬高,還能夠對對象進行無接觸掃描,可以將所掃描到的空間信息快速轉換成計算機可以處理的數據,并且擁有許多獨特的優(yōu)勢:1)數據獲取速度快,實時性強;2)數據量大,精度較高;3)主動性強,能全天候工作;4)全數字化,信息傳輸、加工、表達容易。通過三維激光掃描系統(tǒng)能夠快速獲取區(qū)域的三維空間信息,進行三維模型重建,因而它在三維建模研究與應用領域受到越來越廣泛的關注,已成為三維空間數據獲取的一種重要技術。如瑞典的TopEye機載系統(tǒng),加拿大Optech公司的ALTM1020GG系統(tǒng),美國的Fli_Map1系統(tǒng)等都已經用于快速獲取大面積三維地形數據。Dinesh等研究了直接從距離影像中提取相關幾何特征(如道路、建筑物等)和紋理的相關算法及各種模板。Stamos等[4\～6]通過激光掃描技術對場景三維數據的獲取與三維模型建模進行了深入的研究。Sequeira等利用激光掃描數據和CCD影像構建了具有真實感的三維場景模型。在國內許多學者在這方面也做了大量的研究。例如,李必軍等通過車載激光掃描數據進行了建筑物特征提取研究,張愛武等針對激光掃描技術的特點提出了一種通過自適應采樣重建室外場景表面的方法。本文以Riegl的VZ-400激光掃描儀為例,結合三維激光掃描儀的工作原理,分析和研究從三維數據獲取到三維建模的整個流程。2維掃描結果地面三維激光掃描系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件、電源以及附屬設備構成。三維激光掃描儀的構造主要包括:一臺高速精確的激光測距儀,一組可以引導激光并以平均角速度掃描的反射棱鏡,內置的數碼相機,可以直接獲得目標物的影像。通過轉動裝置的掃描運動,完成對物體的全方位掃描,然后進行數據整理,通過一系列處理獲取目標表面的點云數據。三維激光掃描儀的工作原理是通過激光發(fā)射器發(fā)射出一個窄波脈沖,它被分為兩部分,一部分發(fā)送到接收機并啟動時間測量器件,另外一部分發(fā)送到目標物體。當激光束到達被掃描目標物體的表面時發(fā)生后向反射,并且部分激光束返回到探測器。脈沖的輻射強度轉化成了電流,然后在接收機放大并發(fā)送到時間辨別器中,時間辨別器進行定時(記錄返回脈沖的時刻)并停止時間測量器件。發(fā)射脈沖和接收回波脈沖之間的時間間隔t通過時間數字轉換器(TDC)測量。TDC是一個高頻(如100MHz)脈沖振蕩器,使用數字計算技術及模擬插值方法計算計時器的號碼,到達目標的距離為D=ct/2,(1)D=ct/2,(1)式中D是距離,c是光速。三維激光掃描儀的原始觀測數據包括:1)根據兩個連續(xù)轉動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得到激光束的水平方向角和豎直方向角。2)根據激光傳播的時間計算得到儀器到掃描點的距離,再配合激光束的水平方向角和豎直方向角,可以得到每一掃描點相對于儀器的空間相對坐標。3)掃描點的反射強度等。根據前兩種數據計算掃描點的三維坐標,掃描點的反射強度則用來給反射點匹配顏色。點的表示形式為(x,y,z,I),不僅包含點的空間位置還包含點的反射強度I。其定位原理如圖1所示。三維激光掃描點的坐標(x,y,z)計算公式為?????x=Scosθsinαy=Scosθcosαz=Ssinθ,(2){x=Scosθsinαy=Scosθcosαz=Ssinθ,(2)式中θ為激光束的豎直方向角,α為激光束的水平方向角,S為儀器到掃描點的斜距。33d激光掃描系統(tǒng)的工作流三維激光掃描系統(tǒng)工作流程如圖2所示,具體描述如下。3.1硅化木林本文研究的是中國地質大學(武漢)的化石林中的兩棵硅化木化石。應用RieglVZ-400三維激光掃描儀隨機附帶軟件RiSCANPRO控制掃描過程。11標記標記點貼標靶點的目的是掃描得到它們的坐標,使配準工作更加簡單。要確保每一掃描站能掃到最少3個共同的標靶點。2重疊采樣數據為了可以完整掃描目標物體,一共設置了8個掃描站。這里需要考慮到幾個因素:①不同站點采集的數據需要拼接到同一坐標系下,這就要求各站采集的數據要有重疊部分。一般來說重疊范圍占10%\～20%較為合適。②盡可能使每一站都能掃到至少3個標靶點的坐標,以便于以后的配準工作。③從掃描站點到被測對象應該沒有遮擋。3掃描角度分辨率和影像獲取標靶點貼完,站點設置好以后可以開始掃描。掃描過程可以分成4個階段:①粗略掃描:粗略掃描是為了確定被測對象大概范圍和方位,可以選擇較低分辨率進行粗略掃描。②精細掃描:精細掃描是為了得到每個掃描點的坐標和反射強度(三維點云數據)。本研究將掃描的角度分辨率確定為0.05°。RiSCANPRO軟件可以根據參數情況計算出精細掃描所需要的時間。③標靶點精細掃描:精掃標靶點是為了得到標靶點的精確坐標。精掃以后,在標靶點列表中有很多非標靶點被誤檢測為標靶點。如果對在標靶點列表中的所有標靶點進行精掃的話,將很費時間?？梢愿鶕税悬c的實際大小(圓形靶標:50mm)把非標靶點刪掉,這樣可以節(jié)省很多掃描時間。④影像獲取:通過固定在激光掃描儀上的NikonD300s數碼相機采集照片。照片獲取是為了以后做紋理映射工作?？梢愿鶕粶y對象的開始角度和停止角度以及相鄰兩張照片之間的重疊范圍來拍攝照片,以減少信息的丟失。3.2點云配準和三維建模由于需要掃描的真實場景的范圍一般比較大,受激光掃描儀視場角的限制以及物體間遮擋的影響,每次掃描只能獲取當前視點下的點云,其坐標是相對于當前的儀器坐標系而言。為了構建研究區(qū)域完整的三維模型,需要從不同的視點對場景進行掃描,并將多個視點下獲取的點云進行重新定位,生成一個同一坐標系下的三維數據點集。點云配準實際上就是要找出兩個坐標系之間的變換關系。這種關系可以用一個3×3的旋轉矩陣R和三維平移向量t來描述,配準就是要求解出(R,t)。為了求出R和t,需要在兩個坐標系下的空間數據找出最少3個同名點。在RiSCANPRO軟件中,配準不同站點的掃描數據可以通過查找同名的標靶點(數量大于等于3)的功能,如果沒有足夠的共同靶標點,可以通過手動選點選取3個以上的共同點(盡可能不在一個平面上的點)進行粗配準,然后做精配準。配準工作完畢之后可以在RiSCANPRO軟件中將被測對象的點云數據輸出為*.wrl格式,然后導入到GeomagicStudio軟件中進行數據處理和三維建模。點云數據配準前后的圖像分別示于圖3和圖4所示。3.3點云處理1對象表面雜點雜點就是測量錯誤的點,放大后就可看出,是明顯遠離被測對象表面的孤立的點。三維激光掃描儀生成的點云里就有較多的雜點,散布在物體四周,輪廓邊緣外尤其多。對這樣的點,一般用手工或使用分離點或輪廓功能將其選擇后再刪除。2表面材質引起的誤差產生噪聲點的原因是多方面的,包括由被測對象表面因素產生的誤差(表面粗糙、波紋、表面材質等),由掃描系統(tǒng)本身引起的誤差,測量方法的緣故,掃描儀受到震動,測量數據存在系統(tǒng)誤差和隨機誤差,也有可能由偶然噪音引起誤差(比如在掃描時突然有一只小鳥從掃描區(qū)域飛過)。對于這些噪聲點可以用去除噪聲功能去除,從而讓點云數據更加平滑。3重疊的點冗余點是因拼接或測量角度等問題產生重疊的多余的點。對三角化之后的模型進行多邊形修補或者使用去除特征的功能能檢測出這些冗余點,然后進行處理。43點云優(yōu)化因為點云數據是8個站點的點云數據的總和,數量很大,可以通過重采樣將點云數據數量進行優(yōu)化。3.4三維表面建模在處理點云數據之后,下一步是建立兩棵樹化石的三維模型,流程如圖5所示。1被測對象的表面特征這里的點云數據是由不規(guī)則離散點構成的,需要構成被測對象的實際表面。構建三角網模型是一種比較簡單而實用的方法,可以恢復被測對象的拓撲關系的真實表面。2角網模型構建在掃描過程中由于遮擋的原因,致使掃描的點云數據不完整,存在一些數據空洞,這些數據丟失的地方無法構建三角網模型,所以要手工進行數據補充,最終形成較為完整的三角網模型。多余的點[見3.3中的第3)步]構成的多邊形很容易相交,這些地方直接影響到模型建立的質量,所以要對它們進行刪除然后再處理。3修補或再清除特征這一步要對錯誤的特征或者不要的特征進行去除。根據經驗判斷,不能去除特征的地方很可能有相交的多邊形,這樣要回到上一步對這些多邊形進行修補然后再去除特征。4基于點云數據產生冗余數據的方法由于所掃描的點云數據是離散點,進行三角網建模時難免會產生冗余數據,例如一個平面只要有兩個三角形構成,但是由于點云數據過密生成的三角形會遠遠多于兩個,這樣就產生了冗余數據,解決辦法是對這些地方的三角網進行簡化。反之如果點云數據的密度不夠,生成三角網模型之后為了盡可能讓被測對象的特征真實,可以對這些地方的三角網進行細化。52多邊形平滑可以使用平滑功能調整三角形之間的折皺角度而不改變三角形的數量。在此過程中可以對模型的局部或者整體做平滑處理。6角生長區(qū)域的確定總體上要對整個三角網模型進行一次檢測,以確定是否還有相交的三角形的地方。如果還有要重新做第2)步到第6)步,一直到整個三角網模型沒有相交的三角形為止。71提取輪廓可以自動提取輪廓線或者手工提取輪廓線。針對不太復雜的對象可以手工提取輪廓線,針對比較復雜的對象可以自動提取然后再修理。8編輯輪廓可以使用編輯輪廓線功能對錯誤或者不滿意的輪廓線進行修理,盡可能保持被測對象的自然特征。9結構裝飾部分輪廓線是基準線,曲面片的包圍線是基于輪廓線擴展的。曲面片的構造是為了進一步構造網格。10檢驗曲面片的質量構造曲面片之后一般有3個錯誤類型(曲面片的包圍線有相交路徑,較小的曲面片角度,高度角點)會影響到曲面片的質量?？梢杂眯蘩砬嫫δ軐@些錯誤的曲面片進行修理。針對前兩類錯誤可以用編輯曲面片上的頂點的功能對頂點進行調整,對于第三類錯誤而言,解決辦法是把這個高度角點刪掉然后再重新生成。直到沒有錯誤的曲面片(曲面片的形狀盡可能接近矩形會更好),就可以構造網格。11調整雙網格網格基于曲面片生成網格,帶綠顏色的網格表示能比較好地擬合曲面,帶紅色的網格是有錯誤的網格,針對這種情況需要返回到第10)步重新修理曲面片,調整一下然后再構造網格。12安裝階段網格構造好之后就可以基于每一個曲面片進行曲面擬合工作,生成NURBS曲面,結果如圖6所示。3.5照片的預處理紋理映射是利用RiSCANPRO軟件中的紋理映射功能實現的,通過所采集的高分辨率相片獲取紋理信息,并進行映射。因為拍照的過程當中使用的是20mm的廣角鏡頭,會引起照片變形,所以要把所拍的照片做無畸變的處理之后才可以做紋理映射工作。一般來說,一張照片只能映射一定的區(qū)域,對于整個三角網模型而言要使用多張照片才能完全地覆蓋整個模型,所以把模型分開做紋理映射是一種很好的解決辦法。分開模型做紋理映射時有兩個問題要解決,即裂縫和亮度差。為了避免裂縫的問題,在紋理映射時可以把沒有紋理的地方刪除,不過不要刪除得過多,要確保紋理映射之后的分塊模型有一定的重疊度。照片的色調偏差問題可以通過Photoshop軟件進行調整。最后把紋理映射之后的所有分塊的模型拼在一起,結果如圖7所示