激光三維掃描

1、三維激光掃描技術(shù)三維測(cè)量傳統(tǒng)測(cè)量所測(cè)的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果傳統(tǒng)測(cè)量所測(cè)的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如（如CAD出圖）。出圖）。 數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)代替數(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(cè)量的數(shù)據(jù)直接包含二維。三維激光掃描儀每次測(cè)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。點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息甚至還有其他關(guān)鍵信息。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(cè)量的方法，獲取被測(cè)對(duì)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)手段應(yīng)用用途： 通過三維激光掃描，獲得被測(cè)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

2、維重構(gòu)。作為新的高科技產(chǎn)品，三維激光掃描儀已經(jīng)成功的在文物保護(hù)、城市建筑測(cè)量、地形測(cè)繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測(cè)、工廠、大型結(jié)構(gòu)、管道設(shè)計(jì)、飛機(jī)船舶制造、公路鐵路建設(shè)、隧道工程、橋梁改建等領(lǐng)域里應(yīng)用。工具：三維激光掃描儀，其掃描結(jié)果直接顯示為點(diǎn)云（pointcloud 意思為無(wú)數(shù)的點(diǎn)以測(cè)量的規(guī)則在計(jì)算機(jī)里呈現(xiàn)物體的結(jié)果），利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù),可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場(chǎng)景的三維可視化模型,既省時(shí)又省力,這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件所不可比擬的 。 原始圖像三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像（點(diǎn)云數(shù)據(jù)：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

3、建三維激光掃描原理三維激光掃描：對(duì)確定目標(biāo)完整的三維坐三維激光掃描：對(duì)確定目標(biāo)完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量, , 全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)（點(diǎn)云數(shù)全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)（點(diǎn)云數(shù)據(jù)）。據(jù)）。為了獲得被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，其測(cè)為了獲得被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，其測(cè)量原理主要分為量原理主要分為測(cè)距測(cè)距、角位移角位移、掃描掃描、定定向向四個(gè)方面。四個(gè)方面。測(cè)距方法激光測(cè)距對(duì)于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作激光測(cè)距對(duì)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。用。測(cè)距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。測(cè)距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。脈沖測(cè)距法：脈沖測(cè)距法：脈沖測(cè)距法是通過測(cè)量發(fā)射

4、和接收激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差來間接獲得被測(cè)目標(biāo)的距離脈沖測(cè)距法是通過測(cè)量發(fā)射和接收激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差來間接獲得被測(cè)目標(biāo)的距離。C：光速;t:測(cè)得激光信號(hào)往返傳播的時(shí)間差脈沖法的測(cè)量距離較遠(yuǎn)（幾十米到幾百千米），但是其測(cè)距精度較低（厘米級(jí)），現(xiàn)在大多數(shù)三維激光掃描儀都使用這種測(cè)距方式.測(cè)角方法 角位移測(cè)量法掃描儀工作是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，由步進(jìn)電機(jī)步距角和掃描儀工作是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，由步進(jìn)電機(jī)步距角和步數(shù)，獲得角位移。步數(shù)，獲得角位移。步進(jìn)電機(jī)步距角步距角 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b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

5、光脈沖橫向、縱向掃描角度觀測(cè)值為、。掃描方法三維激光掃描儀通過內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面掃三維激光掃描儀通過內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，決定激光束出射方向，從而使脈沖激光束描棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，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。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(dòng)掃描鏡、旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。掃描控制裝置主要有：擺動(dòng)掃描鏡、旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。轉(zhuǎn)換方法轉(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。掃描儀的定向。 在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，

6、設(shè)立特制的定向識(shí)別標(biāo)志，通過計(jì)算識(shí)別標(biāo)志的中心坐在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，設(shè)立特制的定向識(shí)別標(biāo)志，通過計(jì)算識(shí)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)。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)。 wZ P(X c,Y c,Z c) wY wX Z c p 1O x y O X c Yc 攝像機(jī)成像幾何關(guān)系如圖所示，其中O點(diǎn)稱為攝像機(jī)光心， 1 軸和 軸與圖像的x軸與y軸平行， 軸為攝像機(jī)的光軸，它與圖像平面垂直。光軸與圖像平面的交點(diǎn)，即為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)，由點(diǎn)O與 、 、 軸組成的直角坐標(biāo)系稱為攝像機(jī)坐標(biāo)系 為攝像機(jī)焦距。 Z O X Y攝像機(jī)定標(biāo)一般都需要一個(gè)放在攝像機(jī)前

7、的特制的定標(biāo)參照物（reference object） 。例如，圖為一種定標(biāo)參照物，攝像機(jī)獲取該物體的圖像，并由此計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。定標(biāo)參照物上的每一個(gè)特征點(diǎn)（圖3中物體上每一小方塊的頂點(diǎn)）相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位置在制作時(shí)應(yīng)精確測(cè)定，世界坐標(biāo)系可選為參照物的物體坐標(biāo)系在得到這些已知點(diǎn)在圖像上的投影位置后，可由公式計(jì)算出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。 空間任意一點(diǎn)世界坐標(biāo)與對(duì)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、v o為像面中心(透視中心在計(jì)算機(jī)圖像的

8、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)定確定每掃描一個(gè)云點(diǎn)后每掃描一個(gè)云點(diǎn)后,CCD,CCD將云點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號(hào)并直將云點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號(hào)并直接傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)而得到被測(cè)點(diǎn)的三維坐接傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)而得到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。點(diǎn)云是由三維激光掃描的無(wú)數(shù)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的標(biāo)數(shù)據(jù)。點(diǎn)云是由三維激光掃描的無(wú)數(shù)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的, ,而每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量都非常重要。而每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量都非常重要。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、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(dòng)傳感裝置，以及后續(xù)處理用的置，光機(jī)電自動(dòng)傳感裝置，以及后續(xù)處理用的計(jì)算機(jī)等計(jì)算機(jī)等。一種三維激光掃描系統(tǒng)圖一種三維激光掃描系統(tǒng)圖三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用 案例一：在建筑設(shè)