基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建

1激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用3d激光掃描技術(shù)是近年來迅速發(fā)展和成熟的一項(xiàng)高科技技術(shù)。這是gps技術(shù)的又一進(jìn)步。三維激光測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)測(cè)量的局限性。它不僅能夠量取被測(cè)對(duì)象的長寬高,還能夠?qū)?duì)象進(jìn)行無接觸掃描,可以將所掃描到的空間信息快速轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù),并且擁有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):1)數(shù)據(jù)獲取速度快,實(shí)時(shí)性強(qiáng);2)數(shù)據(jù)量大,精度較高;3)主動(dòng)性強(qiáng),能全天候工作;4)全數(shù)字化,信息傳輸、加工、表達(dá)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(jìn)行三維模型重建,因而它在三維建模研究與應(yīng)用領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注,已成為三維空間數(shù)據(jù)獲取的一種重要技術(shù)。如瑞典的TopEye機(jī)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(jīng)用于快速獲取大面積三維地形數(shù)據(jù)。Dinesh等研究了直接從距離影像中提取相關(guān)幾何特征(如道路、建筑物等)和紋理的相關(guān)算法及各種模板。Stamos等[4\～6]通過激光掃描技術(shù)對(duì)場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)的獲取與三維模型建模進(jìn)行了深入的研究。Sequeira等利用激光掃描數(shù)據(jù)和CCD影像構(gòu)建了具有真實(shí)感的三維場(chǎng)景模型。在國內(nèi)許多學(xué)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(shù)據(jù)進(jìn)行了建筑物特征提取研究,張愛武等針對(duì)激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)提出了一種通過自適應(yīng)采樣重建室外場(chǎng)景表面的方法。本文以Riegl的VZ-400激光掃描儀為例,結(jié)合三維激光掃描儀的工作原理,分析和研究從三維數(shù)據(jù)獲取到三維建模的整個(gè)流程。2維掃描結(jié)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(shè)備構(gòu)成。三維激光掃描儀的構(gòu)造主要包括:一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀,一組可以引導(dǎo)激光并以平均角速度掃描的反射棱鏡,內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī),可以直接獲得目標(biāo)物的影像。通過轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的掃描運(yùn)動(dòng),完成對(duì)物體的全方位掃描,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,通過一系列處理獲取目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。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(gè)窄波脈沖,它被分為兩部分,一部分發(fā)送到接收機(jī)并啟動(dòng)時(shí)間測(cè)量器件,另外一部分發(fā)送到目標(biāo)物體。當(dāng)激光束到達(dá)被掃描目標(biāo)物體的表面時(shí)發(fā)生后向反射,并且部分激光束返回到探測(cè)器。脈沖的輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成了電流,然后在接收機(jī)放大并發(fā)送到時(shí)間辨別器中,時(shí)間辨別器進(jìn)行定時(shí)(記錄返回脈沖的時(shí)刻)并停止時(shí)間測(cè)量器件。發(fā)射脈沖和接收回波脈沖之間的時(shí)間間隔t通過時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)測(cè)量。TDC是一個(gè)高頻(如100MHz)脈沖振蕩器,使用數(shù)字計(jì)算技術(shù)及模擬插值方法計(jì)算計(jì)時(shí)器的號(hào)碼,到達(dá)目標(biāo)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(cè)數(shù)據(jù)包括:1)根據(jù)兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jù)激光傳播的時(shí)間計(jì)算得到儀器到掃描點(diǎn)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(diǎn)相對(duì)于儀器的空間相對(duì)坐標(biāo)。3)掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度等。根據(jù)前兩種數(shù)據(jù)計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo),掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度則用來給反射點(diǎn)匹配顏色。點(diǎn)的表示形式為(x,y,z,I),不僅包含點(diǎn)的空間位置還包含點(diǎn)的反射強(qiáng)度I。其定位原理如圖1所示。三維激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y,z)計(jì)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(diǎn)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(zhì)大學(xué)(武漢)的化石林中的兩棵硅化木化石。應(yīng)用RieglVZ-400三維激光掃描儀隨機(jī)附帶軟件RiSCANPRO控制掃描過程。11標(biāo)記標(biāo)記點(diǎn)貼標(biāo)靶點(diǎn)的目的是掃描得到它們的坐標(biāo),使配準(zhǔn)工作更加簡單。要確保每一掃描站能掃到最少3個(gè)共同的標(biāo)靶點(diǎn)。2重疊采樣數(shù)據(jù)為了可以完整掃描目標(biāo)物體,一共設(shè)置了8個(gè)掃描站。這里需要考慮到幾個(gè)因素:①不同站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)需要拼接到同一坐標(biāo)系下,這就要求各站采集的數(shù)據(jù)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(gè)標(biāo)靶點(diǎn)的坐標(biāo),以便于以后的配準(zhǔn)工作。③從掃描站點(diǎn)到被測(cè)對(duì)象應(yīng)該沒有遮擋。3掃描角度分辨率和影像獲取標(biāo)靶點(diǎn)貼完,站點(diǎn)設(shè)置好以后可以開始掃描。掃描過程可以分成4個(gè)階段:①粗略掃描:粗略掃描是為了確定被測(cè)對(duì)象大概范圍和方位,可以選擇較低分辨率進(jìn)行粗略掃描。②精細(xì)掃描:精細(xì)掃描是為了得到每個(gè)掃描點(diǎn)的坐標(biāo)和反射強(qiáng)度(三維點(diǎn)云數(shù)據(jù))。本研究將掃描的角度分辨率確定為0.05°。RiSCANPRO軟件可以根據(jù)參數(shù)情況計(jì)算出精細(xì)掃描所需要的時(shí)間。③標(biāo)靶點(diǎn)精細(xì)掃描:精掃標(biāo)靶點(diǎn)是為了得到標(biāo)靶點(diǎn)的精確坐標(biāo)。精掃以后,在標(biāo)靶點(diǎn)列表中有很多非標(biāo)靶點(diǎn)被誤檢測(cè)為標(biāo)靶點(diǎn)。如果對(duì)在標(biāo)靶點(diǎn)列表中的所有標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行精掃的話,將很費(fèi)時(shí)間。可以根據(jù)標(biāo)靶點(diǎn)的實(shí)際大小(圓形靶標(biāo):50mm)把非標(biāo)靶點(diǎn)刪掉,這樣可以節(jié)省很多掃描時(shí)間。④影像獲取:通過固定在激光掃描儀上的NikonD300s數(shù)碼相機(jī)采集照片。照片獲取是為了以后做紋理映射工作。可以根據(jù)被測(cè)對(duì)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(diǎn)云配準(zhǔn)和三維建模由于需要掃描的真實(shí)場(chǎng)景的范圍一般比較大,受激光掃描儀視場(chǎng)角的限制以及物體間遮擋的影響,每次掃描只能獲取當(dāng)前視點(diǎn)下的點(diǎn)云,其坐標(biāo)是相對(duì)于當(dāng)前的儀器坐標(biāo)系而言。為了構(gòu)建研究區(qū)域完整的三維模型,需要從不同的視點(diǎn)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行掃描,并將多個(gè)視點(diǎn)下獲取的點(diǎn)云進(jìn)行重新定位,生成一個(gè)同一坐標(biāo)系下的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)集。點(diǎn)云配準(zhǔn)實(shí)際上就是要找出兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。這種關(guān)系可以用一個(gè)3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣R和三維平移向量t來描述,配準(zhǔn)就是要求解出(R,t)。為了求出R和t,需要在兩個(gè)坐標(biāo)系下的空間數(shù)據(jù)找出最少3個(gè)同名點(diǎn)。在RiSCANPRO軟件中,配準(zhǔn)不同站點(diǎn)的掃描數(shù)據(jù)可以通過查找同名的標(biāo)靶點(diǎn)(數(shù)量大于等于3)的功能,如果沒有足夠的共同靶標(biāo)點(diǎn),可以通過手動(dòng)選點(diǎn)選取3個(gè)以上的共同點(diǎn)(盡可能不在一個(gè)平面上的點(diǎn))進(jìn)行粗配準(zhǔn),然后做精配準(zhǔn)。配準(zhǔn)工作完畢之后可以在RiSCANPRO軟件中將被測(cè)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出為*.wrl格式,然后導(dǎo)入到GeomagicStudio軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和三維建模。點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)前后的圖像分別示于圖3和圖4所示。3.3點(diǎn)云處理1對(duì)象表面雜點(diǎn)雜點(diǎn)就是測(cè)量錯(cuò)誤的點(diǎn),放大后就可看出,是明顯遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象表面的孤立的點(diǎn)。三維激光掃描儀生成的點(diǎn)云里就有較多的雜點(diǎn),散布在物體四周,輪廓邊緣外尤其多。對(duì)這樣的點(diǎn),一般用手工或使用分離點(diǎn)或輪廓功能將其選擇后再刪除。2表面材質(zhì)引起的誤差產(chǎn)生噪聲點(diǎn)的原因是多方面的,包括由被測(cè)對(duì)象表面因素產(chǎn)生的誤差(表面粗糙、波紋、表面材質(zhì)等),由掃描系統(tǒng)本身引起的誤差,測(cè)量方法的緣故,掃描儀受到震動(dòng),測(cè)量數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,也有可能由偶然噪音引起誤差(比如在掃描時(shí)突然有一只小鳥從掃描區(qū)域飛過)。對(duì)于這些噪聲點(diǎn)可以用去除噪聲功能去除,從而讓點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加平滑。3重疊的點(diǎn)冗余點(diǎn)是因拼接或測(cè)量角度等問題產(chǎn)生重疊的多余的點(diǎn)。對(duì)三角化之后的模型進(jìn)行多邊形修補(bǔ)或者使用去除特征的功能能檢測(cè)出這些冗余點(diǎn),然后進(jìn)行處理。43點(diǎn)云優(yōu)化因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)是8個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的總和,數(shù)量很大,可以通過重采樣將點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。3.4三維表面建模在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(cè)對(duì)象的表面特征這里的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由不規(guī)則離散點(diǎn)構(gòu)成的,需要構(gòu)成被測(cè)對(duì)象的實(shí)際表面。構(gòu)建三角網(wǎng)模型是一種比較簡單而實(shí)用的方法,可以恢復(fù)被測(cè)對(duì)象的拓?fù)潢P(guān)系的真實(shí)表面。2角網(wǎng)模型構(gòu)建在掃描過程中由于遮擋的原因,致使掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整,存在一些數(shù)據(jù)空洞,這些數(shù)據(jù)丟失的地方無法構(gòu)建三角網(wǎng)模型,所以要手工進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充,最終形成較為完整的三角網(wǎng)模型。多余的點(diǎn)[見3.3中的第3)步]構(gòu)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(zhì)量,所以要對(duì)它們進(jìn)行刪除然后再處理。3修補(bǔ)或再清除特征這一步要對(duì)錯(cuò)誤的特征或者不要的特征進(jìn)行去除。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(duì)這些多邊形進(jìn)行修補(bǔ)然后再去除特征。4基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)的方法由于所掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散點(diǎn),進(jìn)行三角網(wǎng)建模時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù),例如一個(gè)平面只要有兩個(gè)三角形構(gòu)成,但是由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)過密生成的三角形會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于兩個(gè),這樣就產(chǎn)生了冗余數(shù)據(jù),解決辦法是對(duì)這些地方的三角網(wǎng)進(jìn)行簡化。反之如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度不夠,生成三角網(wǎng)模型之后為了盡可能讓被測(cè)對(duì)象的特征真實(shí),可以對(duì)這些地方的三角網(wǎng)進(jìn)行細(xì)化。52多邊形平滑可以使用平滑功能調(diào)整三角形之間的折皺角度而不改變?nèi)切蔚臄?shù)量。在此過程中可以對(duì)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(duì)整個(gè)三角網(wǎng)模型進(jìn)行一次檢測(cè),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(gè)三角網(wǎng)模型沒有相交的三角形為止。71提取輪廓可以自動(dòng)提取輪廓線或者手工提取輪廓線。針對(duì)不太復(fù)雜的對(duì)象可以手工提取輪廓線,針對(duì)比較復(fù)雜的對(duì)象可以自動(dòng)提取然后再修理。8編輯輪廓可以使用編輯輪廓線功能對(duì)錯(cuò)誤或者不滿意的輪廓線進(jìn)行修理,盡可能保持被測(cè)對(duì)象的自然特征。9結(jié)構(gòu)裝飾部分輪廓線是基準(zhǔn)線,曲面片的包圍線是基于輪廓線擴(kuò)展的。曲面片的構(gòu)造是為了進(jìn)一步構(gòu)造網(wǎng)格。10檢驗(yàn)曲面片的質(zhì)量構(gòu)造曲面片之后一般有3個(gè)錯(cuò)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(diǎn))會(huì)影響到曲面片的質(zhì)量。可以用修理曲面片功能對(duì)這些錯(cuò)誤的曲面片進(jìn)行修理。針對(duì)前兩類錯(cuò)誤可以用編輯曲面片上的頂點(diǎn)的功能對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整,對(duì)于第三類錯(cuò)誤而言,解決辦法是把這個(gè)高度角點(diǎn)刪掉然后再重新生成。直到?jīng)]有錯(cuò)誤的曲面片(曲面片的形狀盡可能接近矩形會(huì)更好),就可以構(gòu)造網(wǎng)格。11調(diào)整雙網(wǎng)格網(wǎng)格基于曲面片生成網(wǎng)格,帶綠顏色的網(wǎng)格表示能比較好地?cái)M合曲面,帶紅色的網(wǎng)格是有錯(cuò)誤的網(wǎng)格,針對(duì)這種情況需要返回到第10)步重新修理曲面片,調(diào)整一下然后再構(gòu)造網(wǎng)格。12安裝階段網(wǎng)格構(gòu)造好之后就可以基于每一個(gè)曲面片進(jìn)行曲面擬合工作,生成NURBS曲面,結(jié)果如圖6所示。3.5照片的預(yù)處理紋理映射是利用RiSCANPRO軟件中的紋理映射功能實(shí)現(xiàn)的,通過所采集的高分辨率相片獲取紋理信息,并進(jìn)行映射。因?yàn)榕恼盏倪^程當(dāng)中使用的是20mm的廣角鏡頭,會(huì)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(duì)于整個(gè)三角網(wǎng)模型而言要使用多張照片才能完全地覆蓋整個(gè)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(shí)有兩個(gè)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(shí)可以把沒有紋理的地方刪除,不過不要?jiǎng)h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(diào)偏差問題可以通過Photoshop軟件進(jìn)行調(diào)整。最后把紋理映射之后的所有分塊的模型拼在一起,結(jié)果如圖7所示