（地图学与地理信息系统专业论文）三维激光扫描技术在考古勘探中的应用.pdf

首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 刘江涛 日期：口1 年钼日 i1 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 刹江清 日期：孵臼7 日 摘要 三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项高新技术，它通过高速激光测量 的方法，快速、大量、精确地获取物体的三维信息，为科学准确建立数据模型提 供了一种全新的技术手段。三维激光扫描技术在考古勘探中应用具有重大的现实 和历史意义，能够真实记录考古发掘现场，再现考古发掘前后的遗址原貌。 本文利用三维激光扫描技术，实现了三星堆遗址、金沙遗址的部分数字考古 工作；提出了一个详细的、可操作的工艺流程，其主要贡献如下： ( 1 ) 通过利用三维激光扫描技术采集考古现场的三维几何信息和图像信息 的实际工作，给出了三维激光扫描仪和数码相机现场工作的作业流程，提出了实 际现场操作中扫描站点设计准则，全方位高质量采集现场数据。 ( 2 ) 全面研究了r i s c a np r o 软件和p o l y w 0 砒 软件联合建模的方法， 针对考古发掘现场数字化的要求，给出了数据缩减、平滑处理、去噪、多站点数 据拼接、三维几何建模和三维模型修补工程方法。 ( 3 ) 利用计算视觉原理，实现了数码相机精准标定，给出了大纹理生成方 法，实现了纹理映射。 本文的工作为进一步研究三维激光扫描技术在考古与文物保护领域中的应 用奠定了基础。 关键字：数据获取，数据预处理，三维几何建模，数据配准，数码相机标定，纹 理映射 a b s t r a c t 3 dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r sah i g h t e c h ， h i g h s p e e dl a s e rm e a s u r e m e n tm e t h o d ，f a s t ，l a r g e ，a c c u r a t ea c c e s st o i n f o r m a t i o n3 2o b j e c t st ot h ee s t a b l i s h m e n to fas c i e n t i f i ca n da c c u r a t e d a t am o d e l p r o v i d e san e wt e c h n 0 1 0 9 i c a lm e a n s 3 dl a s e rs c a n n i n g t e c h n o l o g y i n a r c h a e o l o g i c a le x p l o r a t i o n a p p l i c a t i o ni so fg r e a t p r a c t i c a la n dh i s t o r i c a ls i g n i f i c a n c e ，t oat r u er e c o r do fa r c h a e o l o g i c a l e x c a v a t i o n ss c e n er e p r o d u c t i o na r c h a e o l o g i c a le x c a v a t i o n sa r o u n dt h e s i t eo ft h eo r i g i n a la p p e a r a n c e b yu s i n g3 - dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yi nt h i sp a p e r ，t h es a n x i n g d u i r u i n s ，t h ej i n s h ar u i n sf i g u r ea r c h a e o l o g i c a lw o r k ；p r o p o s e dad e t a i l e d ， w o r k a b l ep r o c e s s ，i t sm a i nc o n t r i b u t i o ni sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h eu s eo f3 dl a s e rs c a n n i n g t e c h n o l o g ya c q u i s i t i o n a r c h a e o l o g i c a ls i t eo f3 dg e o m e t r i ci n f o r m a t i o na n di m a g ei n f o r m a t i o no f t h ea c t u a lw o r k ，i sa3 dl a s e rs c a n n e ra n dd i g i t a lc a m e r a s c e n eo f o p e r a t i o n a lp r o c e d u r e s ，t h ea c t u a ls c e n eo fo p e r a t i o ns c a n n i n gs i t e d e s i g nc r i t e r i a ，a l l r o u n dh i g h - q u a l i t yf i e l dd a t ac o l l e c t i o n ( 2 ) 2ac o m p r e h e n s i v es t u d yo fr i s c a n p r os o f t w a r ea n dp o l y w o r k s s o f t w a r em o d e l i n gm e t h o da r c h a e o l o g i c a le x c a v a t i o ns i t ea g a i n s tt h e d i g i t i z a t i o no fd e m a n d s ，g i v e nt h ed a t ar e d u c t i o n ，s m o o t h i n g ，n o i s e e l i m i n a t i o n ，m u l t i s i t ed a t ac o m b i n a t i o n s ，3 dg e o m e t r i cm o d e l i n ga n d3 d m o d e lr e p a i rm e t h o d s ( 3 ) u s i n gv i s u a lc a l c u l a t i o np r i n c i p l e so fd i g i t a lc a m e r ap r e c i s i o n c a l i b r a t i o n ，g i v e nt h el a r g et e x t u r eg e n e r a t i o n ，a c h i e v e dt h et e x t u r e m a p p i n g t h i sw o r kf u r t h e rs t u d yo f3 dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yi nt h ef i e l d o fa r c h e o l o g ya n dh e r i t a g ep r e s e r v a t i o no fl a y i n gt h ef o u n d a t i o n 2 k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r e p r o c e s s i n g ，3 0g e o m e t r i cm o d e l i n g ， d a t ar e g i s t r a t i o n ，d i g i t a lc a m e r ac a l i b r a t i o n ，t e x t u r em a p p i n g 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项高新技术，可全天候、快速、直 接、高精度的采集大范围区域的三维信息，三维激光扫描技术已广泛的应用于城 市测绘和文物数字化保护、航天、航空、水利、制造等诸多领域。近年来，三维 激光扫描技术在考古勘测中的应用备受关注，国内外许多学者已经展开了许多相 关研究。本文在国家十五科技攻关专题“考古探测g i s 与信息提取试验研究” 的资助下，结合现有软件，研究三维激光扫描技术在考古勘测中的应用处理方法。 1 2 国内外研究现状 近年来，在文物考古领域也开展了一系列三维激光扫描技术应用实践工作。 利用激光扫描技术获取考古遗址的相关信息，首先，需保证所获取的资料科学准 确；同时，还要具有一定的时效性，以保证在考古发掘过程中同步记录相关信息； 第三，其生成的基础数据要具有多种应用可能，以满足考古发掘、保护、研究和 展示等各层次的需要。实践表明，在考古遗址应用三维激光扫描技术，不仅可以 完全满足这些要求，同时，将会是考古信息获取和资料后期整合、分析手段的一 次具有重要意义的变革。 三维激光扫描技术在考古和文物保护领域的应用具有重大的现实和历史意 义，能够真实记录考古发掘现场，再现考古发掘前后的遗址原貌。实际上，考古 遗址发掘过程中所产生的各类遗迹、遗物信息，是考古学研究的重要基础。但是 文物遗迹在长期的保存过程中，面临逐步自然消亡的危机。同时，考古遗址中很 多重要的迹象，在发掘过程中不可避免地会有所丢失。因此，三维激光扫描技术 更重要的是记录发掘现场原始的三维信息和纹理信息，为文物的保护和遗址的恢 复建立真三维真纹理的数字模型。目前，国内主要是采用各种三维激光扫描仪、 高分辨率c c d 相机，g p s 等仪器，实时、主动、快速获取场景的三维信息、纹理 信息、，并进行多源数据自动处理、模型重建、数据管理。 第一章绪论 就文物遗产保护来说，人类有着珍贵而丰富的自然、文化遗产，但是，由于 年代久远，很多文物难以保存或易被腐蚀。再加上现代人类活动的影响，这些遗 产遭受的破坏程度与日俱增。这样很难满足人们研究与参观欣赏的需要。于是利 用先进技术来保护这些遗产成为迫在眉睫的全球性问题，对于我国这么一个历史 悠久的文物大国，遗产保护工作更有深远的意义。而三维激光扫描技术的出现恰 恰为文物遗产的保护开辟了一条新的道路。利用现代信息技术获取考古遗址的相 关信息，首先，需保证所获取的资料科学准确；同时，还要具有一定的时效性， 以保证在考古发掘过程中同步记录相关信息；第三，其生成的基础数据要具有多 种应用可能，以满足考古发掘、保护、研究和展示等各层次的需要。实践表明， 在考古遗址应用三维激光扫描化技术，不仅可以完全满足这些要求，同时，将会 是考古信息获取和资料后期整合、分析手段的一次具有重要意义的变革。 随着计算机技术的发展，特别是虚拟技术、多媒体技术宽带网络于数据库等 技术的发展数字化考古工作越来越受到全世界的关注。在国际上，英国、法国、 美国、埃及等国家的研究和应用起步较早，目前不论在技术研究和应用方面都有 了一定规模和相当的积累；而我国数字化考古工作正处于起步阶段，研究和应用 水平还处于相对较低的水平。 在国际上，很多国家已经开始了对数字化考古工作的研究和应用，三维激光 扫描技术在考古中的应用主要朝着以下三个方向发展【1 】：( 1 ) - - 维记录：使用三 维激光扫描技术来保存、记录考古发掘过程中的信息数据，包括发掘现场、出土 的文物、古迹、古建筑物等；( 2 ) - - 维重现即使用虚拟现实技术，多媒体等技术 对遗址进行建模、渲染；( 3 ) - - 维传播即通过网络对遗址、文物进行浏览、漫游 和展示。 美国斯坦福大学、华盛顿大学与c y b e r w a r e 公司合作完成的数字化米开朗基 罗计划嘲叫使用三维扫描仪记录了十座米开朗基罗所塑造的大型塑像，包括著名 的大卫像，并在旁建立了交互式的计算机环境供参观者使用。图卜l 为使用三 维激光扫描仪获取大卫像。 6 第一章绪论 图1 - 1 使用三维激光扫描仪获取大卫像 近年来，我国在文物考古领域也开展了一系列三维激光扫描技术应用实践工 作，如故宫博物院正在开展的古建筑数字建模项目，洛阳龙门石窟研究院利用三 维技术建立的数字档案。这些实践工作为三维激光扫描技术在文物考古领域的进 一步深入开展都是有益的探索和实践。而秦俑二号坑遗址三维数字建模项目的工 作实践表明，在考古发掘与文物保护工作的同时，引入三维数字化技术，对考古 遗址的相关信息进行同步采集和处理，并进而建立数字模型，不仅可以满足考古 发掘过程中科学、准确获取遗址各类信息的要求，同时也为后期研究、保护、考 古资源管理、公众教育奠定了重要的基础。如下图1 - 2 为武汉大学与朝日三维科 技有限公司合作对湖北黄梅县的3 5 米高的和尚衣钵塔进行三维扫描和建模。 图1 - 2 湖北黄梅县的衣钵塔 7 第一章绪论 1 3 三维激光扫描数据基本处理流程 1 3 1 三维激光扫描系统的基本工作原理 三维激光扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型三维坐标测量仪器，采用 非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体表面的阵列式几何 图形的三维数据。仪器主要包括激光测距系统、激光扫描系统和支架系统，同时 也集成c c d 数字摄影和仪器内部校正等系统。 激光测距技术“1 己经相当成熟，目前激光测距原理主要有脉冲测距法t o f 、 基于相位测距法( 如：干涉测距法) 、激光三角法三种基本类型。目前，测绘领域 所使用的三维激光扫描仪，多数是基于t o f 脉冲测距法，例如：l e i c a 公司的 h d s 3 0 0 0 以及c y r a x 2 5 0 0 ，r i e g l 公司的l m s z 4 2 0 i 和o p t e c h 公司的i l r i s 一3 d 以及 法国m e n s i 公司的g s1 0 0 等三维激光扫描仪；在微观领域及近距离的三维激光扫 描仪主要采用相位干涉法测距和激光三角法。如：o p t i m e t 公司生产的 m i n i - c o n o s c a n3 0 0 0 采用干涉法测距系统，s h a p e g r a b b e r 公司生产的a 1 2 4 0 0 型三 维激光扫描仪和m i n o l t a 公司生产的v i v i d 系列三维激光扫描仪均使用激光条纹 干涉法测距技术。法国m e n s i 公司的s 18 2 5 型、i n t e c u 公司的c y l a n3 d 和c y l a n 7 0 1 型、s t e i n b i c b l e r 公司的c o m e t t - s c a n , v i t a n a 公司的3 db o d ym e a s u r e m e n t 型等 三维激光扫描仪都使用激光三角法测距系统。我国学者长期以来对三维激光扫描 技术的研究和应用多数是基于三角法激光扫描测量系统。， t o f 脉冲测距法嗍是一种高速激光测时测距技术，采用脉冲测距法的三维激 光点计算方法，如图1 - 3 所示。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测量观测值s ， 精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值a 和纵向扫描 角度观测值e 。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统，x 轴在横向扫描 面内，y 轴在纵向扫描面内与x 轴垂直，z 轴与横向扫描面垂直，由此可得到三维 激光脚点p 坐标( 】( ，e ，z 。) 的计算公式： l = s c o s0c o s y i = s c o s0s i n ( 1 ) z = s s i n0 8 第一章绪论 y ，互) 图1 - 3 采用脉冲测距法的三维激光点坐标 t o e 测量技术的测距过程分为四个主要环节： 激光发射，一个激光脉冲发射体在触发脉冲的作用下，激光发出一个极 窄高速激光脉冲，通过扫描镜的转动并反射向物体，同时，激光信号被取样而得 到激光主波脉冲。 激光探测，通过同一个扫描镜和聚光透镜收集经过物体反射回来的激光 回波信号转换为电信号。 时延估计，对不规则的激光同波信号进行相应相关处理，精确地确定对 目标测距的时延，生成回波脉冲信号，以该脉冲信号的前沿代表接收到目标物体 回波信号的时刻。 时间延迟测量，由精密原子钟控制的精密计数器通过距离计数方法测量 出激光回波脉冲与激光发射主脉冲之间的时间间隔。 1 3 2 - - 维激光扫描技术的处理流程 三维激光扫描技术应用于三星堆遗址、金沙遗址的考古工作中，其数据处理 流程如下：首先，我们使用r i e g l l m s _ z 4 2 0 i 三维激光扫描仪“1 和n i k o nd 1 0 0 数码相机，采集三星堆遗址、金沙遗址的点云数据和图像数据，在数据采集中， 由于各种因素的影响，需要进行站点设置，来获得全方位多角度的点云数据和图 像数据；然后，我们对采集的数据进行预处理，主要是剔出冗余数据、噪声去除、 点云数据缩减和数据平滑处理；接着，通过p o l y w o r k s 软件建立遗址的几何模 型，其中主要工作是进行多视点三维数据配准、三维几何建模、三维模型修补( 拓 9 第一章绪论 扑错误更正、空洞填补、网格优化) ；最后对遗址的三维几何模型进行纹理映射， 主要工作包括数码相机标定和对对遗址的三维几何模型进行纹理映射。如图1 - 4 三维激光扫描技术处理流程所示。 图1 - 4 三维激光扫描技术处理流程 l - 4 论文主要内容 论文主要内容如下：第一章绪论部分，主要介绍了三维激光扫描技术在考古 勘探应用中的课题研究背景、国内外现状以及三维激光扫描技术的数据处理流 程。第二章三维激光扫描数据的获取与数据预处理，主要讲述了激光扫描系统的 误差分析、站点的设置及原因；激光扫描三维点云数据的预处理，主要论述了数 1 0 第一章绪论 据预处理的方法和过程；第三章激基于p o l y w o r k s 的三维建模，主要讲述了利用 p o l y w o r k s 软件进行多视点数据配准、三维建模、三维模型修补的具体实现方法。 第四章纹理映射主要讲述了数码相机的标定和纹理映射。第五章论文总结，主要 是对所做工作进行总结。 第一二章三维激光扫描数据扶取与数据顾处理 第二章三维激光扫描数据获取与数据预处理 2 i 激光扫描系统误差分析 从误差的特性来看，径向扫描系统测量误差可分为系统误差和偶然误差源嘲 两种类型，系统误差引起三维激光扫描点的坐标偏差，可通过公式改正或修正系 统予以消除或减小：偶然性误差是一些随机性误差的综合体现。 三维激光脚点测量误差的影响因索较多，大致可分为三类：仪器误差、与目 标物体反射面有关的误差和外界环境条件的影响。仪器误差是仪器本身性能上缺 陷造成的测量误差，主要包括激光测距的误差，扫描角度测量的误差；与目标物 体反射面有关的误差主要包括目标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的影响； 外界环境条件的影响主要包括温度、气压等环境因素的影响。 1 激光测距的影响 激光测距信号处理的各个环节都会带来一定的误差，特别是光学电子电路中 激光脉冲回波信号处理时引起的误差，主要包括扫描仪脉冲计时的系统误差和测 距技术中不确定间隔的缺陷引起的误差。脉冲计时的系统误差造成循环、混淆现 象与测距的凸角误差相类似，测距技术中不确定间隔更可能造成数据突变，目前 可运用一些较好的技术( 如频率倍乘、微调作用) 处理这种突变的误差。激光测 距误差的综合体现为测距中的固定误差和比例误差两部分，可以通过仪器检定确 定测距误差的大小。 2 扫描角的影响 扫描角的影响主要包括水平扫描角度和竖直方向扫描角度测量的影响。扫描 角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的微小震动、扫描电机 的非均匀转动控制误差等因素的综合影响。目前扫描角测量可以达到很高的精 度。如徕卡的h d s 2 5 0 。三维激光扫描仪的扫描角精度达到士0 5 m 。 3 目标物体反射面倾斜的影响 激光扫描测距系统中激光测距单元有激光发射头和激光接收器两部分组成。 用于激光发射和接收窗e l 的孔径直径有一定的大小( 一般小于2 c m ) ，决定了激光 光束的起始直径的大小。由于激光发射和接收采用共用一条光路时，且激光光束 具有一定的发散角，扫描到目标物体表面形成激光脚点光斑。 第二章三维激光扫描数据获取与数据预处理 4 目标物体反射表面粗糙程度的影响 三维激光扫描点云的精度与物体表面的粗糙程度有密切关系。由于三维激光 回波信号具有多值性的特点，有些三维激光扫描系统只能处理首次反射回来的回 波信号，有些三维激光扫描系统只能处理最迟反射回来的回波信号，也有一些三 维激光扫描系统能够综合处理首次和最迟反射回来的回波信号。以处理首次反射 回来激光回波信号为例，目标物体表面粗糙程度引起激光脚点的位置的偏差d s ： 接近于物体表面粗糙极值a m a x 的一半。 5 温度、气压等外界环境条件的影响 温度变化、气压等外界环境条件对激光扫描的影响主要包含温度变化对精密 机械结构关系的细微影响、扫描过程中风的震动、激光在空气中传播的方向等方 面的影响。当处于较差的外界环境条件时，对三维激光扫描数据的影响也较大 2 2 站点的设置 r i c g ll m s z 4 2 0 i 三维激光扫描仪采取的是定点扫描方式【9 】，需要在合适的 位置布设站点。如何布设站点必须依据现场实际环境而定。考古遗址往往几何形 状较复杂，从原始数据记录角度，需要数据全面翔实，力求不遗漏死角。同时考 虑不同站点采集的数据需要拼合在同一坐标系的要求，各站采集的数据要有重 叠。一般来说重叠范围占1 0 2 0 较为合适。 在扫描考古遗址时，应考虑遗址现场环境，决定采用什么样的方式进行站点 的布设。由于扫描场景一般很大，三维激光扫描仪一次扫描不能获得整个场景的 点云数据，因此要进行布设站点。在站点布设时，要做到不遗漏死角。第一站点 的布设一般要求大范围的扫描整个场景，形成场景的一个总体轮廓，为后续数据 的处理提供方便。首先，将r i e g ll m s z 4 2 0 i 三维激光扫描仪放在考古遗址现场 中心，采用水平3 6 0 。回转扫描，获取整个考古遗址的轮廓点云，记为s o ；然后 在布设第二站点时，我们将r i e g tl m s z a 2 0 i 三维激光扫描仪的水平方扫描角度 控制在6 0 。，并确保与第一站点之间扫描的数据有约2 0 的重叠，记为s 1 ；接着， 第三站点要与第二站点之间扫描的数据必须有约2 0 的重叠，记为s 2 ，依照上 述步骤，从不同位置不同方向进行数据的全面采集，并最终存储在同一个工程中。 第二章三维激光扫描数撼获取与数据颈娃避 2 3 三维激光扫描数据的特点 l 、点云数据的缩构 大部分三维激光扫描仪式旗子线扫描方式完成数据采集的。在三维激光扫描 露，采躅孬或戮掴l 蓥方式，获褥夔焘云数掇爨骞一定熬缝稳关系。熹云数据按霉 和列两个方向排列。 2 、三维激光扫描点云豹影像及其特点 三维激毙翅攒数据霹巍纯瑶，霉教瓣觅空闻靛三维激光羟攘焦云嚣爨 1 1 1 ( 1 z l ”l ，如图所示，因此，三维激光扫描点云数据也称为三维激光扫描影像数 据。见下两附图。 图2 3 三曩堆遗址部分影像数据图2 _ 4 金沙遗址部分影像数据 从三维激光末| 描影像图中娜以看出，三维激光扫攒点云数据具有以下特点： ( 1 ) 数据囊大，三维激光织籀数据量较火，一幅扛籀彰像数据孛霹菝惫含蔻 十万到上百万个扫描点。 ( 2 ) 密度商，扫描数据点的平均问隰可以由仪器设定一些仪器的掇小平均闻 冁掰迭1 2 m m 。 ( 3 ) 因为激光是直线传播，所以在有障碍物的情况下，或者扫描对像自身遮 挡的情况下，造成获取的被掴摧物体的表黼点云数据1 1 4 i 残缺。解决这个司题的 办法是，尽量程不同程点下 譬箍，戳便获敬受多静有效静数据点。 1 4 第二章三维激光i 描数据获取与数据预处理 2 4 三维激光扫描数据的预处理 对数据进行预处型1 0 】【1 1 1 2 1 ，一般需要对原数据进行再加工，检查数据的完 整性及数据的一致性，对其中的噪音数据进行平滑，对丢失的数据进行填补，消 除。脏”数据等。 数据获取主要完成景物及目标的三维信息获取；预处理主要包括对三维物体 的表面几何数据去噪、压缩以及平滑等在数据点上的操作处理，把经过预处理后 的数据点特征转变为对景物的表达和描述。 消除测量点集中的噪声数据是坐标测量中的难点问题。由于被测物体表面的 反射特性、测距系统中的机械振动、以及量化误差等因素的影响，不可避免地使 测得三维物体的表面数据中包含有系统测量噪声、量化误差以及几何失真，而这 些噪声或误差对后续的特征提取处理影响很大，甚至会导致错误的结果。所以在 底层处理中首先要对获得的三维物体表面数据进行预处理。 数据清理，现实世界的数据一般是不完整的、含噪声的和不一致的。数据清 理主要完成填充空缺值，识别孤立点，消除噪声，并纠正数据中的不一致。应用 领域的模型数据通常来自多个数据源，所以必须进行数据集成。来自不同数据源 的数据可能存在模式定义上的差异，也可能存在因数据冗余而无法确定有效数据 的情形。数据变换将数据转换为适合处理的形式，可以根据需要构造出新的属性 以帮助理解分析数据的特点，或者将数据规范化，使之落在一个特定的数据区间 中。数据归约则是在尽可能保证数据完整性的基础上，将数据以其他方式进行表 示，以减少数据存储空间，使下一步的数据处理更有效。常用的归约策略有：数 据立方体聚集、数据压缩、数值压缩和离散化等。 激光扫描数据量相当大、点数据过度密集；激光线可能会投射到c c d 摄像机 视场范围内的非测量物上，如摆放物体的平台等，导致冗余数据；扫描数据易受 环境和系统的影响，从而可能产生干扰噪声。数据的预处理过程就是数据缩减、 剔除冗余数据、平滑或易6 除噪声数据等过程的总称。预处理过程的具体过程以及 处理的顺序要根据扫描数据的具体特征确定。优化的预处理过程可以保证后期的 重构过程能够有可靠精选的点云数据，从而不仅提高模型重构的精准度，更可以 降低重构过程的复杂程度。 第二章三维激光扫描数据获取j 数据颅处理 2 4 1 剔除冗余数据 扫描得到的目标物产生的冗余数据是完全随机的，要剔除这些数据要结合扫 描物体的形貌采用手动方法。这里采用凸多边形框选法去除数据取得了比较好的 效果。这种算法的应用和实现方式都相对简单，包含两个关键的步骤：( 1 ) 由3 d 点云数据反求各点在计算机窗口的屏幕坐标：( 2 ) 判断并删除在2 d 凸多边形中点 数据。下面主要说明如何判断点是否在凸多边形中。 判断点是否在凸多边形内部的方法是计算几何中非常基本很常见的算法。其 步骤分为两步：首先要判断框选点云数据的多边形是否为凸；然后判断点是否在 凸多边形内。一般算法对于凸多边形可以直接使用，而对于凹多边形不太容易， 往往要把它分为多个凸多边形进行，这种算法变得相当繁琐。 判断点是否在凸多边形内算法除了直观的搜索算法以外，主要有下面两种方 法： 1 面积判别法 即用判断点和多边形个顶点围成的三角形面积之和与多边形面积进行比较。 多边形的面积可以使用多边形内部点或是边上的点和其他所有边上的点顺序连 接形成的三角形面积和计算。如果判断点在多边形外，则结果不一致。所以可以 使用这种算法判断点是否在多边形内部。但由于这种算法使用浮点运算，所以可 能会带来一定判断上的误差。 2 矢量顺序差积判别法 假设凸多边形n 个顶点按顺序排列存储在线性列表v e r t e x n 一1 】中，p 是要 判断的点，对于凸多边形的每个顶点和所在的边，可以确定下面的矢量和差积： e = v e r t e r i + 1 一v e r t e r i 】 v = p - v e r t e x i 】 s = s i g n ( e y 、 其中，s 是一个符号判断，取值是 - 1 ，o ，1 ) 。如果对于所有边s 值不变，即全 为1 或是全为l ，则p 点在多边形内；如果对于一些边s 值是0 ，p 点在多边形 边上；如果对于一些边s 值是1 ，而对于另一些边s 值是l ，则p 点在多边形外 面。这种方法简单实用，可以很好的完成剔出点云冗余数据点的任务。 1 6 第二章三维激光扫描数据获取与数据预处理 2 4 2 噪声去除 采用三维激光扫描获取的表面采样点数据，不可避免地会含有噪声点。产生 噪声点的原因是多方面的，主要可分为三类：第一类是由被测对象表面因素产生 的误差，比如表面粗糙程度、波纹、表面材质等。因为激光扫描仪利用激光作为 测量的手段，所以当被测物体表面较黑，即反射率较低，大部分入射光都被吸收 的情况下，或者扫描距离过远，入射激光的反射光信号较弱的情况下，很容易产 生噪音，典型的物体如黑皮沙发，煤堆等；第二类是由扫描系统本身引起的误差， 比如激光扫描仪的测距精度、扫描分辨率、扫描仪受到振动等；第三类嗓音也称 为偶然噪音，是指在扫描过程中由于一些偶然的因素成为扫描数据的一部分。如 在扫描建筑物时，有小鸟落在建筑物上或者从扫描区域飞过，或者有行人在扫描 仪与被扫描建筑物之间通过，这样扫描这类物体所产生的数据就是错误的数据， 应该把它们过滤掉或者删除。 为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对扫描结果进行平滑滤 波。一般情况下，针对噪音产生的不同原因，采用相应的办法，达到消除噪音的 目的。如第一类噪音，则从增加被扫描物体的反射率和调整扫描和扫描物之间的 距离来解决；第二类噪音是系统固有噪音可以通过调整扫描的参数或利用一些平 滑或滤波的方法过滤掉；而第三类噪音只有用人工交互的办法解决，如设置某个 合适的阈值或手动删除。下面就简单讨论一下本方所使用的几种点云过滤方法。 由于扫描的数据在组织形式上是二维的，所以借鉴了几种二维图像处理的滤波方 法。只不过在图像处理中，处理的是每个像素的像素值，而对点云的过滤是处理 的每个点的x 、y 、z 坐标值。 数据平滑通常采用标准高斯、平均或中值滤波算法，滤波窗口。高斯滤波器 在指定域内的权重为高斯分布，其平均效果较小，故在滤波的同时能较好地保持 原数据的形貌。平均滤波器是利用滤波窗口内各采样数据点的统计平均值来代替 当前点二维图像中的中值滤波器是查找采样点的值，取滤波窗口灰度值序列中 间的那个灰度值为中值，用它来代替窗口中心所对应象素的灰度。中值滤波是一 种有效的非线性滤波，常用于消除随机脉冲噪声。把它应用到点云中过滤时：在 距离图像上滑动一个含有奇数个点的窗口，对该窗口所覆盖点的y 值按大小进 行排序，处在y 值序列中间的那个y 值称为中值点，用它来代替窗口中心的点。 1 7 第一二章三维激光 i 描数据获取与数据顶处理 如果要消除第三类噪音，只有通过自动、半自动或者手动的方法，来删除不 需要的点云部分。自动或半自动是指通过判断点云中点到原点的距离，然后设置 一个大小合适的阚值，大于或小于这个阈值的点云被保留或删除，跟据不同的情 况，做相应的处理。手动的办法只是把不需要的点云数据选中，然后删除。经过 这些处理使得剩余的点云就是目标区域的点云，即感兴趣区域的点云。 2 4 3 数据缩减 l ，基于1 ) e l a u n a y 三角化的数据缩减算法 2 0 0 2 年s - mh u r 等人提出了在三角网基础上重新进行d e l a u n a y - - - 角化( 埘过程 的数据缩减方法，主要根据相邻三角形二面角大小的判断实现删除数据点的方 法。实现的主要步骤如下： ( 1 ) 首先选择一组用于数据缩减的三角形，并设置参与处理的三角形的面积 阀值。当参与计算的三角形的面积过大时，会产生较大的误差。因此，当计算的 三角形面积大于面积阀值时，不参与数据缩减。 ( 2 ) 计算所有选择三角形的面积和三角形的法线矢量。 ( 3 ) 检查与一个三角形的三个顶点相连接的所有三角形能够分成一组重新三 角化。 ( 4 ) 当一个顶点与周围三角形组成一组后，检查该顶点周围三角形是否已经 同其它三角形组构成了其它组。如果没有，则计算三角形之间的二面角。只有满 足这两个条件的这些三角形才能与基三角形成为一组。重复步骤( 3 ) 和( 4 ) ，直到 所有的三角形都进行这些判断。 2 点云数据的直接缩减算法 通常三维激光扫描数据的采集密度过大，使得数据处理的速度很慢。在数据 处理的容差允许情况下，提出了通过设定数据重采样间隔对点云数据进行直接缩 减算法。 ( 1 ) 点云数据的长方体的确定 ( 2 ) 点云数据三维边界框细化 ( 3 ) 基本长方体单元格内的数据缩减准则 每个基本长方体单元格内的数据点缩减准则是，每个基本长方体里的数据点 第一二章三维激光扫描数据获取与数据颅处理 只保留一个数据点，为了使得缩减后的数据点在空间位置尽量均匀，计算基本长 方体里的每个数据点到基本长方体几何中心的距离，其中距离最短的点保留下 来，其它的数据点被排除掉。 3 基于八叉树的数据缩减算法 八叉树结构“”是在2 0 世纪7 0 年代后期至2 0 世纪8 0 年代早期出现的。s a m e t 深 刻的研究了八叉树的结构特征。八叉树( o c t r e e ) 结构是由四叉树( q u a d r e e ) 结构推广到三维空间而形成的一种3 d 栅格数据结构。其基本思想是将3 d 空间区域 划分成三维栅格，每一个小正方体有一个或多个属性数据。八叉树的树形结构在 空间分解上有很强的优势。八叉树模型将一个立方体大小的三维空间等分成八个 卦限，每个卦限具有相同的时间和空间的复杂度，如果某个卦限内的物体属性相 同或可以视为相同时就不再细分，否则就将该卦限再细分为八个卦限。通过循环 递归的划分方法，使得每个体元都属于同一属性或者达到规定的限差为止。 在八叉树到树形结构中，每一个非叶节点都有八个子节点，即按照一分为八。 的规则逐层划分。根节点表示整个目标空间，对应于一个2 4 边长的立方体( n 为 八叉树的层次数) ，任何其它节点对应于一个边长为2 的立方体。非终节点的子 节点的顺序对应于父节点子节点的几何顺序，非终节点称为灰节点( g r e y ) 终节点 要么对应于含有最简单的目标体，要么对应于预先规定的最小边长，称为分辨率。 终节点又称为叶节点，有两种类型，一种是在目标数据的内部，称为实节点 ( b l a c k ) ；一种是在目标数据的外部，称为空节点( w h i t e ) 。 线性八叉树模型是在普通八叉树模型基础上进一步压缩数据存储量，由于不 记录中间节点的编码及层次关系，大大节省了存储空间，特别适合对海量数据的 建模和处理。线性八叉树编码只存储实的叶子节点，叶节点的编码称为地址码， 常用的地址码是m o r t o n 码，m o r t o n 码反映了八又树的层次信息。m o r t o n 码比常规 八叉树编码更有优势，是一种高效率的编码方式。 八叉树的原理与数据结构中的二叉树、四叉树基本相同，就像二叉树排序可 以方便的实现一维序列的查找、四叉树可以实现2 维平面上的对象索引一样，八 叉树结构也可以用作三维空间中数据的索引。见下图为八叉树数据模型 1 9 第二章三雏激急r i 描数挺技取数姑薤处理 豳2 - 8 八叉树数据模型 2 4 4 煮云数据静警浮 在对三维物体扫描的过程中不可避免的引入测量噪声，为丁得到较为精确的 模型和好的特征提取效果，毒必要瓣点云数据进行乎滢处理【1 碰瓣。 数据平滑方法主舞有两大类，一类是空闯域方法，一类怒频率域方法。主要 的空间与方法有邻域平均法、中值滤波、多次测鬣平均等，主囊的频率域方法为 低逶滤波。 2 4 5 数据预处理结果 在葶j 拜j 三维激光掴攒仪采集熬懿时，除了蟊舔对象拜，挡擒范弱蠹懿葵宅物 体也会被扫描进来。鞠此，需要在兰维激光扫描数据内去除其玄物体。 这里采甩与r i e g ll m s - z 4 2 0 i 曼维激光扫描仪配套的r i s c a np r o 软件提 取主要薹薯攒对象。方法是，在左视潮、右视图、簿视圈、着程拦内选取主要对象 外的数据，一一进行删除。一方面提取日标对象；另一方面减少数据量。并刹用 第二章三维激光扫描数据获取与数据预处理 该软件进行点云数据的滤波、平滑和匀化。如图2 - 9 和2 1 0 为激光点云数据处 理前和数据处理后的效果图。 图2 - 9 激光点云数据处理前 图2 - 1 0 激光点云数据处理后 我们在对采集的点云数据进行处理后，需要进行数据的缩减，以减少重复的 点，同时减少数据量。图2 - 1 0 所示的点云数据有4 2 2 2 5 8 个点，当参数设为0 0 5 m 时，经过数据缩减处理后，只保留3 3 0 5 1 个点。如图2 一l l 所示。 2 l 第二章三维撒悲扫箍数据获取哥鼗据颈矩理 匿2 - 1 1 数攘臻装 经避数据缩减懿壤后，我磊j 对其点云数据进行平港楚遵，来运赘辩糕声豹消 除。觅圈2 一1 2 所示一 黼2 1 2 数据平溜 第三章基于p o l y w k s 的三维建模 第三章基于p o l y w o r k s 的三维建模 3 1 多视点三维数据配准 3 1 1 基于p o l y w o r k s 的三维数据配准 对于大型场景三维模型的获取需要设置几十个甚至上百个视点，各视点测得 的三维数据相对于视点本身是局部坐标系【1 7 1 ，只有将各视点获取的三维数据拼 合f 1 s 1 1 明在同一坐标系，方可得到场景的完整数据描述。p o l y w o r k s m o d e l e r 中的 i m a l i g n 模块可用来高速度高精度的拼接分块数据。i m a l i g n 是基于形状特征来 拼接分块数据的。分块数据应满足两个条件：( 1 ) 每一幅扫描图必须与相拼接的 图有公共的扫描信息；( 2 ) 每一幅扫描图至少要有一个不同的形状特征。不满足 这两个条件i m a l i g n 将得不到满意的结果。 1 数据导入 首先需要将r s c a np r o 软件处理的点云数据导出为3 d d 格式的文件； 然后通过i m a l i g n 模块的导入功能将3 d d 格式的文件导入到模块中一下图3 l 为i m a l i g n 模块的导入界面。 ， i h 口a r b n ，* 憎3 n i 图3 - 1i m a l i g n 模块的导入界面 篡三章基于p o l y w o r k s 的三维建模 其次还要进行参数设置，在这里我们将最大角度设为8 9 。，分割角度为3 0 。 如图3 - 2 为参数设置界面。 图3 - 2 为参数设置界面 最后，将3 d d 格式的数据导入i m a l i g n 模块。如图3 - 3 三星堆点云数据。 图3 刁三星堆点云数据 2 数据配准 激光扫描数据我们使用p o l y w o r l ( s 软件的i m a l i g n 模块进行数据拼接，其 核心思想采用i c p 算法进行数据拼接。本文中我们以三星堆数据为例讲述点云数 据的拼接过程。 三星堆点云数据拼接步骤： 。 第一步，释放0 和1 两视点点云数据，将其余的数据锁定。 第三章基于p o l y w 日k s 的三维建横 第二步，进入拼接模式。i m a l i g n 采用由粗到精的原则进行拼接操作。拼接 方式有l 点对拼接和n 点对拼接。l 点对拼接在两视点点云数据中的公共特征 处选取l 对点进行拼接，操作快速、简单，共同特征非常明显的分块数据通常 采用该命令。n 点对拼接首先在两幅点云数据中的公共特征处选取n 对点( 至少 3 对点) 进行粗略拼接。如图3 - 4 为n 对点粗略拼接。 图3 4 n 对点粗略拼接 第三步，视点0 和1 的拼接结果，如图3 - 5 所示。 图3 - 5 视点0 和1 的拼接结果 第三章基于p o l y w o l k s 的三维整模 使用s t a r ta l i g n m e n t 对视点0 和1 的拼接结果进行精配准，拼接的结果存放 在视点0 内。如图3 _ 6 所示。 图3 - 6 s t a r ta l i g n m e n t 精配准图 第四步，将视点1 锁定，释放视点2 ，对视点o 和2 进行拼接，重复第一， 二、三步，得到新的配准结果。如图3 _ 7 视点0 和2 精配准图。 图3 7 视点0 和2 精配准图 第五步，重复上述步骤，直到所有数据拼接完成，并对拼接结果使用b e s t - f i t a l i g n m e m & c o m p a r i s o n 进行精确拼接，如图3 - 8 三星堆数据精确拼接图 第三章基于p o l y w k s 的三维建模 图3 8 三星堆数据精确拼接图 优化拼接结果，统计拼接误差，分析拼接结果。见表3 - 1 统计分析结果。 表3 1 统计分析结果 3 1 2 配准常见问题及解决方法 对于环状物体，像单体建筑，大型文物，以及本文三星堆的祭祀坑，通常在 环状物体四周呈环形布置扫描站点，配准时相邻站点两两配准，环环相扣直到最 终统一在同一坐标系内，那么，由于累积误差 2 0 j 1 2 ”的存在最后一环常常出现裂 缝，最后一环与第一环扣不上，如图3 - 9 。 第三章基于p o l y w o r k s 的三维建模 图3 - 9 配准示意图 为了避免此类问题的出现，利用r i e g l l m s _ _ 4 2 0 i 可3 6 0 。，将黜e 西 l m s z 4 2 0 i 三维激