三維激光掃描技術(shù)

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、使用簡樸方便等優(yōu)點，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)用越來越廣泛。本文簡樸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)的特點和現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域。核心詞：三維激光掃描原理特點應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)介紹三維激光掃描技術(shù)Three-DimensionalLaserScanTechnology，又稱“實景復(fù)制技術(shù)”。它通過高速激光掃描測量的辦法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。能夠快速、大量的采集空間點位信息，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，三維測量在應(yīng)用中越來越重要，三維激光掃描技術(shù)是隨著這激光掃描技術(shù)、三維測量技術(shù)以及當(dāng)代計算機(jī)圖像解決技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的。2、三維激光掃技術(shù)的優(yōu)勢（1）三維測量:傳統(tǒng)測量概念里，所測的的數(shù)據(jù)最后輸出的都是二維成果（如CAD出圖），在現(xiàn)在測量儀器里全站儀，GPS比重居多，但測量的數(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)逐步的替代二維，由于其直觀是二維無法表達(dá)的，現(xiàn)在的三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)不僅僅包含X,Y,Z點的信息，還涉及R,G,B顏色信息，同時尚有物體HYPERLINK反色率的信息，這樣全方面的信息能給人一種物體在電腦里真實再現(xiàn)的感覺，是普通測量手段無法做到的。（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)測量手段里，每一點的測量費(fèi)時都在2-5秒不等，更甚者，要花幾分鐘的時間對一點的坐標(biāo)進(jìn)行測量，在數(shù)字化的今天，這樣的測量速度已經(jīng)不能滿足測量的需求，三維激光掃描儀的誕生變化了這一現(xiàn)狀，最初每秒1000點的測量速度已經(jīng)讓測量界大為驚嘆，而現(xiàn)在脈沖掃描儀（scanstation2）最大速度已經(jīng)達(dá)成50000點每秒，相位式掃描儀Surphaser三維激光掃描儀最高速度已經(jīng)達(dá)成120萬點每秒，這是三維激光掃描儀對物體具體描述的基本確保，古文體，工廠管道，隧道，地形等復(fù)雜的領(lǐng)域無法測量已經(jīng)成為過去式。3、三維激光掃描技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外在這方面起步比較早，技術(shù)已比較成熟。1994年，M．Levovy和他的小組運(yùn)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的重要雕塑品，并提出了一系列有關(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，他們將激光掃描儀和CCD攝影機(jī)固定在小車上，得到了一種數(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)上實現(xiàn)了一種室內(nèi)的三維建模系統(tǒng)。，Y．YU等人在對室內(nèi)場景建模的同時，將場景的某些實現(xiàn)提取出來，并對物體的三維模型提供了編輯和一定功效。國內(nèi)對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)域獲得一定的成果。自起至今，北京大學(xué)的三位視覺與機(jī)器人實驗室使用品有不同掃描特性的激光掃描儀，全方位攝像系統(tǒng)與高分辨率攝影機(jī)完畢了建模對象集合于紋理采集并通過這些數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與無縫拼接完畢了三維物體模型的建立。，首都師范大學(xué)三維空間信息獲取與地學(xué)應(yīng)用教育部重點實驗室給出了一種基于激光掃描數(shù)據(jù)的室外場景表面重建辦法，該辦法能夠完畢建筑物單一表面的重建?，F(xiàn)在國內(nèi)外對于三維激光掃描技術(shù)的研究均受到復(fù)雜場景的幾何構(gòu)造、未知物體表面反射特性、變化的光照條件、復(fù)雜的地形以及不規(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)的核心。4、三維激光掃描技術(shù)的原理三維激光掃描儀則是對擬定目的的整體或局部進(jìn)行完整的三維坐標(biāo)據(jù)測量,這就意味著激光測量單元必須進(jìn)行從左到右,從上到下的全自動高精度步進(jìn)測量(即掃描測量),進(jìn)而得到完整的、全方面的、持續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點坐標(biāo)數(shù)據(jù),這些密集而持續(xù)的點數(shù)據(jù)也叫做/點云。這也就使三維激光掃描測量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍,這個飛躍也意味著三維激光掃描技術(shù)能夠真實描述目的的整體構(gòu)造及形態(tài)特性,并通過掃描測量點云編織出的/外皮來逼近目的的完整原形及矢量化數(shù)據(jù)構(gòu)造,這里統(tǒng)稱為目的的三維重建。如圖1所示，將O點作為坐標(biāo)系原點建立坐標(biāo)系，P(x,y,z)是空間內(nèi)任一點，從O點發(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，得到掃描點到儀器的距離值S，就能夠計算出P點空間點坐標(biāo)信息。三維激光掃描儀基于激光的單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在重視測量速度和操作簡便的同時，確保了測量的綜合精度，其測量原理重要分為測距、測角、掃描、定向四個方面。SαθOOOP(x,y,z)（x,y,z）YYXZSαθOOOP(x,y,z)（x,y,z）YYXZ圖1：三維激光掃描技術(shù)原理圖4.1測距辦法激光測距作為激光掃描技術(shù)的核心構(gòu)成部分，對于激光掃描的定位、獲取空間三維信息含有十分重要的作用?，F(xiàn)在，測距辦法重要有：三角法、脈沖法，相位法。（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。激光發(fā)射點和CCD接受點位于長度為的高精度基線兩端，并與目的反射點構(gòu)成一種空間平面三角形。如圖2所示：通過激光掃描儀角度傳感器可得到發(fā)射、入射光線與基線的夾角分別為γ、λ，激光掃描儀的軸向自旋轉(zhuǎn)角度α，然后以激光發(fā)射點為坐標(biāo)原點，基線方向為X軸正向，以平面內(nèi)指向目的且垂直于X軸的方向線為Y軸建立測站坐標(biāo)系。計算原理如公式（1）所示：x=cos圖2三角測距原理結(jié)合P的三維坐標(biāo)便可得被測目的的距離S，在公式（1）中，由于基線長L較小，故決定了三角法測量距離較短，適合于近距測量。（2）脈沖測距法脈沖測距法是通過測量發(fā)射和接受激光脈沖信號的時間差來間接獲得被測目的的距離。如圖3所示，激光發(fā)射器向目的發(fā)射一束脈沖信號，經(jīng)目的漫反射后達(dá)成接受系統(tǒng)，設(shè)測量距離為S，光速為c，測得激光信號來回傳輸?shù)臅r間差為△t，則有：S=1圖3脈沖激光測距原理影響距離精度的因素重要有c和△t，而的精度重要由大氣折射率所決定，現(xiàn)在n的精度很高，對測距影響很??；△t的擬定可通過前沿鑒別，高通容阻鑒別，恒比值鑒別或全波形檢測技術(shù)等辦法，確保測定精度。脈沖法的測量距離較遠(yuǎn)，但是其測距精度較低，現(xiàn)在大多數(shù)三維激光掃描儀都使用這種測距方式，重要在地形測繪、文物保護(hù)、“數(shù)字都市”建設(shè)、土木工程等方面有較好的應(yīng)用。（3）相位測距法相位法測距是用無線電波段的頻率，對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制，通過測定調(diào)制光信號在被測距離上來回傳輸所產(chǎn)生的相位差，間接測定來回時間，并進(jìn)一步計算出被測距離。相位型掃描儀可分為調(diào)幅型，調(diào)頻型，相位變換型等。設(shè)激光信號來回傳輸產(chǎn)生的相位差為準(zhǔn)，脈沖的頻率為f，則所測距離S為：S=c由公式可知，這種測距方式是一種間接測距方式，通過檢測發(fā)射和接受信號之間的相位差，獲得被測目的的距離。測距精度較高，重要應(yīng)用在精密測量和醫(yī)學(xué)研究，精度可達(dá)成毫米級。表1三種測距辦法的比較飛行時間法調(diào)幅相位法三角法測量范疇幾十米到幾百千米幾米到上千米幾厘米到幾米測量精度厘米數(shù)量級毫米數(shù)量級微米數(shù)量級激光源脈沖持續(xù)持續(xù)探測方式點掃描點掃描點、線、面掃描合用領(lǐng)域中遠(yuǎn)距離測量，可用于地面、機(jī)載、星載測距中檔距離測量，多用于地面、機(jī)載測距近距離測量，合用于小型目的的高精度測量以上三種測距辦法各有優(yōu)缺點，重要集中在測程與精度的關(guān)系上，脈沖測量的距離最長，但精度隨距離的增加而減少。相位法適合于中程測量，含有較高的測量精度，但是它是通過兩個間接測量才得到距離值，因此應(yīng)用這種測距原理的三維激光掃描儀較少，重要是美國的Faro公司，如LS880、Photon80。三角測量測程最短，但是其精度最高，適合近距離、室內(nèi)的測量。2.2測角辦法（1）角位移測量區(qū)別于常規(guī)儀器的度盤測角方式，激光掃描儀通過變化激光光路獲得掃描角度。把兩個步進(jìn)電機(jī)和掃描棱鏡安裝在一起，分別實現(xiàn)水平和垂直方向掃描。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的控制微電機(jī)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對激光掃描儀的精擬定位。在掃描儀工作的過程中，通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制技術(shù)，獲得穩(wěn)步、精確的步距角θb式中，Nr是電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù),m是電機(jī)的相數(shù)，b是多個連接繞組的線路狀態(tài)數(shù)及運(yùn)行拍數(shù)。在得到θb的基礎(chǔ)上，可得掃描棱鏡轉(zhuǎn)過的角度值，再通過精密時鐘控制編碼器同時測量，便可得每個激光脈沖橫向、縱向掃描角度觀察值為α、θ。（2）線位移測量激光掃描測角系統(tǒng)由激光發(fā)射器，直角棱鏡和CCD元件構(gòu)成，激光束入射到直角棱鏡上，經(jīng)棱鏡折射后射向被測目的，當(dāng)三維激光掃描儀轉(zhuǎn)動時，出射的激光束將形成線性的掃描區(qū)域，CCD統(tǒng)計線位移量，則可得掃描角度值。2.3掃描辦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?，F(xiàn)在，掃描控制裝置重要有：擺動掃描鏡和旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡，如圖4所示。圖4掃描控制裝置擺動掃描鏡為平面反射鏡，由電機(jī)驅(qū)動來回振蕩，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)動下繞本身對稱軸勻速旋轉(zhuǎn)，掃描速度快。2.4轉(zhuǎn)換辦法三維激光掃描儀掃描的點云數(shù)據(jù)都在其自定義的掃描坐標(biāo)系中，但是數(shù)據(jù)的后解決規(guī)定是大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，這就需要將掃描坐標(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，通過計算識別標(biāo)志的中心坐標(biāo)，采用公共點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，涉及平移參數(shù)△x、△y、△z和旋轉(zhuǎn)參數(shù)α、β、γ。圖5掃描儀定向原理每掃描一種云點后,CCD將云點信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號并直接傳送給計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計算。進(jìn)而得到被測點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。點云是由三維激光掃描的無數(shù)測量點數(shù)據(jù)構(gòu)成的,而每個點坐標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量都非常重要。5三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成三維激光掃描技術(shù)的核心是激光發(fā)射器、激光反射鏡、激光自適應(yīng)聚焦控制單元、CCD技術(shù)、光機(jī)電自動傳感裝置(涉及:激光水平46b步進(jìn)傳感、同軸縱向320b步進(jìn)自旋轉(zhuǎn)、目的遙控捕獲及取景)等。三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理如圖6所示,首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號,通過旋轉(zhuǎn)棱鏡,射向目的,然后通過探測器,接受反射回來的激光脈沖信號,并由統(tǒng)計器統(tǒng)計,最后轉(zhuǎn)換成能夠直接識別解決的數(shù)據(jù)信息,通過軟件解決實現(xiàn)實體建模輸出。圖6三維激光掃描系統(tǒng)現(xiàn)在市場上銷售的地面式三維激光掃描儀按掃描方式劃分有兩種：（1）基于時間-飛行差，又稱脈沖式；（2）基于相位差，又稱相位式。6、三維激光掃描技術(shù)的特點三維激光掃描系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于它讓傳統(tǒng)的單點測量轉(zhuǎn)變到可獲取海量點云數(shù)據(jù)的面測量上,它讓測量過程的比較容易,特別是在某些復(fù)雜和危險的環(huán)境下進(jìn)行測量"并且它還能直接將掃描得到的大量點云數(shù)據(jù)直接存儲到計算機(jī)內(nèi),用于掃描目的的三維重建并且還能通過重構(gòu)的模型快速獲取目的的點,線,面,體等幾何數(shù)據(jù),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期解決工作。激光的多個優(yōu)越的特性使得三維激光測量技術(shù)也含有諸多優(yōu)越的特點"下面介紹一下該技術(shù)的某些特點:(1)非接觸測量"它采用的是不用接觸目的物而進(jìn)行測量的方式,也不需要安置反射棱鏡,掃描時目的物的表面也不需進(jìn)行任何解決,直接獲取目的物表面點的三維數(shù)據(jù),獲得的數(shù)據(jù)也是高分辨率的數(shù)據(jù)"是測量工作更容易進(jìn)行,避免了測量人員直接接觸某些復(fù)雜危險的目的物,能確保測量工作進(jìn)行的安全性"(2)數(shù)據(jù)采樣率高"它的采樣點數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測量的采樣點數(shù)據(jù),脈沖式激光掃描辦法的采樣點數(shù)可達(dá)成數(shù)千點/秒,而相位式的激光測量更可高達(dá)數(shù)十萬點/秒"(3)主動發(fā)射掃描光源"三維激光掃描技術(shù)能夠不受掃描環(huán)境的影響主動發(fā)射激光,通過本身發(fā)射的激光的回波信息來解得目的物表面點的三維坐標(biāo)信息"(4)含有高分辨率!高精度的特點"三維激光掃描能夠快速的獲取高精度,高分辨率的海量的點位數(shù)據(jù),就能夠高效率的獲取目的物表面點的三維坐標(biāo),從而達(dá)成高分辨率的目的"(5)數(shù)字化采集,兼容性好"該技術(shù)是通過直接獲取數(shù)字信號采集數(shù)據(jù)的,因此含有全數(shù)字特性,方便進(jìn)行后期解決和輸出,且它的后期解決軟件與其它軟件有較好的共享性"7、激光掃描技術(shù)的應(yīng)用近來幾年，三維激光掃描技術(shù)不停發(fā)展并日漸成熟，現(xiàn)在三維掃描設(shè)備也逐步商業(yè)化，三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢就在于能夠快速掃描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數(shù)據(jù)。這樣一來能夠高效地對真實世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，其已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱點之一，并在文物數(shù)字化保護(hù)、土木工程、工業(yè)測量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字都市地形可視化、HYPERLINK城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。（1）測繪工程領(lǐng)域：大壩和電站基礎(chǔ)HYPERLINK地形測量、公路測繪，鐵路測繪，河道測繪，橋梁、建筑物地基等測繪、隧道的檢測及變形監(jiān)測、大壩的變形監(jiān)測、隧道HYPERLINK地下工程構(gòu)造、測量礦山及體積計算。（2）構(gòu)造測量方面：橋梁改擴(kuò)建工程、橋梁構(gòu)造測量、構(gòu)造檢測、監(jiān)測、幾何尺寸測量、空間位置沖突測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平臺、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業(yè)公司內(nèi)部設(shè)備的測量；管道、線路測量、各類機(jī)械制造安裝。（3）建筑、古跡測量方面：建筑物內(nèi)部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、雕像等）的保護(hù)測量、文物修復(fù)，古建筑測量、資料保存等古跡保護(hù)，遺跡測繪，贗品成像，現(xiàn)場虛擬模型，現(xiàn)場保護(hù)性影像統(tǒng)計。（4）緊急服務(wù)業(yè)：反恐怖主義，HYPERLINK陸地偵察和攻擊測繪，監(jiān)視，移動偵察，災(zāi)害預(yù)計，交通事故正射圖，HYPERLINK犯罪現(xiàn)場正射圖，森林火災(zāi)監(jiān)控，滑坡泥石流預(yù)警，災(zāi)害預(yù)警和現(xiàn)場監(jiān)測，核泄露監(jiān)測。（5）娛樂業(yè)：用于電影產(chǎn)品的設(shè)計，為電影演員和場景進(jìn)行的設(shè)計，3D游戲的開發(fā)，HYPERLINK虛擬博物館，虛擬旅游指導(dǎo)，人工成像，場景虛擬，現(xiàn)場虛擬。（6）采礦業(yè)：在露天礦及金屬礦井下作業(yè)，以及某些危險區(qū)域人員不方便達(dá)成的區(qū)域。例如：塌陷區(qū)域、溶洞、懸崖邊等進(jìn)行三維掃描。參考文獻(xiàn)：[1]CurlessB,LevoyM.Avolumetricmethodforbuildingcomplexmodelsfromrangeimages[C]．PrcoeedingsofSIGGRAPH,1996,303-312.[2]HYPERLINKDavidKoller,HYPERLINKMarcLevoy,HYPERLINKMichaelTuritzin.Protectedinteractive3Dgraphicsviaremoterendering[J].ACMTransactionsonGraphics(TOG),,3(23):695-703.[3]HYPERLINKMarcLevoy,HYPERLINKKariPulli,HYPERLINKBrianCurless.ThedigitalMichelangeloproject:3Dscanningoflargestatues[J].ACMTransactionsonGraphics(TOG),1996,4(11):35-45.[4]J-ABeraldin,M.Picard,S.F.El-Hakim.VirtualizingaByzantineCryptbyCombiningHigh-resolutionTextureswithLaserScanner3DData[J].?ThePhotogrammetricRecord,,2(8):132-141.[5]ReedM,lAlenPK,StamosI．Automatedmodelacquisitionfromrangeimageswithviewplanning[C]．ProceedingsofIEEEConf．CompuetrVisionandPatternRecognitionConference，1997,16[20]:72-77．[6]El-Hakim,S.F.,SanJose.Three-dimensionalmodelingofcomplexenvironments[J].SPIEProceedings,,5:Jan20-26.[7]I?Stamos,PEAllen.HYPERLINK3-Dmodelconstructionusingrangeandimagedata[R].ComputerVisionandPatternRecognition,,531-536vol.1.[8]ChristianFriih,AvidehZakhor.3Dmodelgenerationforcitiesusingaerialphotographsandgroundlevellaserscans[R].ComputerVisionandPatternRecognition:,II-31-II-38vol.2?.[9]張愛武，孫衛(wèi)東，李風(fēng)亭.基于激光掃描數(shù)據(jù)的室外場景表面重建辦法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,,2[17],384-391.[10]AwuZhang，WeidongSun，F(xiàn)engtingLi，ShaoxingHu．Basicdataprocessingforcreatingtextured3DmodelourbanscenesfromlaserscansandCCDimage[C]．ProceedingSofAsianConferenceonComputerVision，Seoul，Korea,，19-24．[11]張啟福，孫現(xiàn)申.三維激光掃描儀測量辦法與前景展望[J].北京測繪，，1，39-42.[12FrohlichC,Metten