（地图学与地理信息系统专业论文）复杂场景真三维几何表达方法研究.pdf

首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 摘要 本文在研究和分析了国内外激光三维扫描技术现状的基础上，结合北京市重 点科研项目：北京市三维空间信息综合服务系统，综合运用虚拟现实、计算机视 觉和立体几何学等相关技术，开展了复杂场景真三维几何表达方法研究。 论文的主要贡献如下： 1 提出了感兴趣区提取、补洞和光滑等三维数据优化处理方法，为后续的处 理提供了一个良好的数据准备。 2 针对激光三维扫描数据的特点，提出了一个简单高效的网格初步构建方 法。 3 设计了高效成熟的网格压缩方案，即保留了模型的局部细节，也实现了变 分辨率，可以弹性的对压缩率进行控制。 4 实现了纹理映射，得到了满意的可视化效果。 总之，本研究通过大量的实验和程序模拟，实现了基于点云数据的模型重建， 为复杂场景真三维几何表达提供了一套数字化解决方案。同时为以后的激光三维 扫描设备配套软件的国产化开发提供一定的技术积累和准备。 关键词：虚拟现实，三维重建，数据优化，数据压缩，纹理映射 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 a b s t r a c t o nt h eb a s eo fs t u d y i n ga n dm a k i n gs o m en a n a l y s e sa b o u tt h es t a t u sq u oo ft h e t h r e ed i m e n s i o nl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yb o t h t h ei n t e r n a la n dt h ee x t e r n a l c o m b i n i n gw i t ht h es i g n i f i c a n ts c i e n t i f i cr e s e a r c h o fb e i j i n g ：s e r v i c es y s t e mo f t h r e e d i m e n s i o n a ls p a t i a li n f o r m a t i o no fb e i j i n g ，t h ea u t h o rs u c c e s s e di nr e s e a r c h i n g i n t ot h ew a y so na c t u a lt h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r yr e p r e s e n t a t i o no fc o m p l e xs c e n e m lo ft h ea b o v ew o r ki si nt h en e e do ft h ep r a c t i c ei nt h ed o m a i na n di sb yt h e s y n t h e s i so fs e v e r a lt e c h n o l o g y , s u c ha s v i r t u a lr e a l i t y , c o m p u t e rv i s i o n ，s o l i d g e o m e t r ya n do t h e rr e l a t i v et e c h n o l o g y t h ec o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w ： 1 b r o u g h tf o r w a r dt h ew a y so nt h eo p t i m i z i n go ft h r e e - d i m e n s i o n a ld a t a i n c l u d i n ge x t r a c t i n ge x t e n tt h a tw e a r ei n t e r e s t e di n 、t h er e p a i r i n gh o l eo fd a t aa n d s m o o t h i n ga n dp r o v i d e dp r e p a r a t i v ef o rd a t ap r o c e s s 2 a i m i n ga tl a s e rt h r e ed i m e n s i o ns c a n n i n gd a t a ，b r o u g h tf o r w a r das i m p l e a n de f f e c t i v ew a yo np r e p a r a t o r yc o n s t r u c t i n go f g r i d d i n g 3 d e s i g n e das i m p l ea n de f f e c t i r es c h e m eo i lt h ec o m p r e s s i n go f g r i d d i n gd a t a r e s e r v i n gt h el o c a ld e t a i l so fm o d e i sa n db e i n gc a p a b l eo f c o n t r o l l i n gf r e e l yt h ec o m p r e s s i o nr a t i o t h es c h e m ei sr e a l i z e d 4 r e a l i z e dt h et e x t u r em a p p i n ga n ds h o w e dt h es a t i s f a c t o r yv i s u a l i z a t i o n i nc o n c l u s i o n ，b yp l e n t i f u le x p e r i m e n ta n dp r o g r a m m es i m u l a t i n g ，t h er e s e a r c h s u c c e s s e di n r e c o n s t r u c t i n gt h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lb a s e do np o i n tc l o u da n d p r o v i d i n g as u i to fd i 叠i t a lr e s o l v e n tf o ra c t u a lt h r e e - d i m e n s i o n a l g e o m e t r y r e p r e s e n t a t i o no fc o m p l e xs c e n e a tt h es a m et i m e ，t h i ss u c c e s s e di np r o v i d i n gt oa t e r t i a ne x t e n tt e c h n o l o g ya c c u m u l a t i o na n dp r e p a r a t i v ef o rh o m e g r o w nd e v e l o p m e n t o fl a s e rt h r e e d i m e n s i o n a ld a t ap r o c e s s k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y , t h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i n g ，d a t ao p t i m i z i n g ， c o m p r e s s i n go fg r i d d i n gd a t a ，t e x t u r em a p p i n g 3 首都师范，( 学硕士掌豫论文 复杂场景真三壤几何表达方浓研究 1 1 研究背景 麟绪论 三维实体的数字化是灾物仿形技术的基础，近年发展起来的快速自动成型技 术，成凌逢解决了诗算辊麓萌设计( c a d ) 审三维逢黧静“看褥冤，摸不麓” 的问题。快速自动成型技术的本质是用积分法制造三维熨体，在成型过程中，将 诗葵橇中存诺秘经意三缕黧俸藩恚搀递给戒委溉，逶_ 遂榜辩逐篡添黯法壹接露l 造 出来，而不需要特殊的模舆和工具 三绦型葵蕊惑数摄圭蘩有秀静泉源( 翔蓬1 瑟云) 。 圆i 墨丝业卜同 t 阱匦蟹圃t 圆 圈+ 囤圃划 豳i 三维数字化仪谯快速制造技术中的作用图 一般说来，c a d 用于设计产品，三维数字化仪用于复制产品实际上，c a d 也常用于修牵 三维数字纯仪所采集信息的缺陷，或对该信怠进行再加i ( 如从简 单的扩缩到艺术加工) 因此三维物体数字化在今天的2 1 世纪的产鼎制造技术中 兵有蚕葵意义。 随着激光技术的快速发展，激光三维扫描技术广泛地成用于各个领域。如医 学l 褒藤诊羝治疗、壤器入三维霹褪豫、工韭瓣摸其设诗纛露l 造等。徽器稻短鼷离 激光三维扫描测鬣精度己经达到1um 甚至更高。长距离激光测距技术用于工程 建设帮秘学磅究瞧耀当或熬，如城审王莲控割瓣鞭褰溅量、激竞测滋按本等。运 年来，随着长距离激光三维捆描技术谯获得多目标空间点阵数据方面的突破，激光 三维摆搓技术已程极载激光测毫彝域枣三缝影像摸型建立等方嚣褥到瘟翅。秘兹， 激光三维扫描系统在获取空间信息方面提供了种全新的技术手段，使传统的单 点采集数据变为连续自动获取数据，从蔼提高了测量豹效率。我们将其应用予复 杂的古建筑测绘中，并在故离的修复测绘中进行实验，通过与传统测绘方法的比较， 得出在测量的速效、三维立体建模、模型化耩度以及数据处理方颟，激光三缳扫 播系统脊着较大的优越性。 6 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 1 2 国内外该领域的发展概况 在国际上，三维扫描仪器受到广泛的青睐。他的诸多优点迅速征服了广大的 用户，相应的产品也占领了大片相关的市场。有些产品已经成为这个领域中非常 有影响力的品牌，例如法国的m e n s i ，奥地利的r i e g l ，加拿大的o p t e c h 等， 它们都已经形成了系列化产品，销往世界各个国家，在实际的工程建设中都发挥 了重大的作用。但是，这些产品都是极其的昂贵，对于大多数的中国企业和尚处 在发展中的中小企业来讲，都不堪重负。而且，国外同类产品的配套软件也同样 价格不菲。 在国内，激光三维的研究起步较晚，但是随着中国经济的迅猛发展和技术与 国际的融合，在较短的时间内也有了很大的突破。一些科研单位，包括一些研究 所和高等院校都在激光三维领域加大了投入和研究。例如，中国北京建工学院引 入了加拿大o p t e c h 的i l r i s 一3 d ( i n t e l l i g e n tl a s e rr a n g i n ga n di m a g i n gs y s t e m ) 产品，在数字化故宫项目中起到了重要的作用；北京大学视觉与听觉信息处理国 家重点实验室的三维视觉计算与机器人小组在这方面开展了不少工作，取得了一 定的理论成果；清华大学运动信息实验室承担了国家8 6 3 项目，提出了激光三维 扫描仪国产化战略，并且研制出了激光三维扫描仪样机，并且通过了国家的8 6 3 项目验收。 1 3 本研究的意义和技术内容 激光三维扫描仪可以极大的加快数据的生产速度、提高生产力、同时也具有 极大的社会价值和应用潜力。它的广泛被应用势必节省大量的人力、物力、金钱 和时间的投入。但是，目前在国内的软件市场上还没有一套真正的可以为激光三 维扫描设备提供全方位数据处理的配套软件。 本研究旨在通过大量的实验和程序模拟，实现基于点云数据的模型重建，为 复杂场景真三维几何表达提供一套数字化解决方案。同时为以后真正的激光三维 扫描设备配套软件的国产化开发提供一定的技术积累和准备。 技术内容和数据流程如下( 第部分为硬件实现部分，即数据的获取，由清 华大学运动信息实验室研制的激光三维扫描仪样机完成。其余的部分为软件 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 实现部分) ： 使用激光三维扫描仪器对实际的物体或建筑物表面进行激光扫描，由 c c d ( 光电偶合) 摄像机采集被测表面的光刀曲线，然后通过计算机处理，最终 得到物体表面的三维几何数据，即大量的点云数据。 进行数据的优化处理，包括兴趣区以外点云数据的去除、滤波处理、去除 噪声和点云插值等，从而提高数据的信噪比，提取兴趣区。 在计算机环境下高精度提取物体的表面特征，实现模型的表面重建，再现 实际物体的立体轮廓和真实纹理，完成复杂场景真三维的几何表达。 1 4 我的见解 速度已经成为制约模型数据传统获取方式的瓶颈。在这个层次上来讲，激 光三维扫描仪本身就是高起点，它是三维型体信息获取领域的突破和变革，具有 深远的意义和对生产力的极大推动性。 响应国家8 6 3 项目重点提出的激光三维国产化战略，积极与国际软件标准接 轨，开发自主知识产权的国产配套软件，已经成为国内激光三维研究领域最迫切 的课题。 1 5 开发用到的资源说明 本文进行数据显示和虚拟渲染用到了两种引擎，就是o p e n g l 和v t k 。关 于o p e n g l 。这里不作过多的介绍，它已经是被公认的开发三维的主流引擎之一 ( 另一是微软的d i r e c t x ) ，市面上或者图书馆里面有很多关于他的介绍和使用的 说明，网络上也有很多关于他的讨论和技术开发文档积累。这里只对v r k 胶要 说明。 1 5 1 可视化工具v t k v n ( ( v i s u a l i z a t i o n t o o l k i t ) 是一个开放源码，面向对象的软件系统，由 w i l l s c h r o e d e r , k e n m a r t i n 和b i l l l o r e n s e n ( p r e n t i c e h a l l ) 三人开发。v r k 包含3 d 计 算机图形、图像处理和可视化三大功能。v t k 用c 实现，同时包含众多的翻译接 首都师范大学硕士学位论文复杂场景真三维几何表达方法研究 口层，包括t c i z i k , p y t h o n ，j a v a ，可以在w i n d o w s ，u n i x 等操作系统下运作，其内核 独立于操作系统。v n 【封装了图形图像和可视化领域内各种常用算法，把一些在 可视化开发过程中会经常遇到的细节屏蔽起来，给广大研究和开发人员带来了极 大的方便，同时开发人员根据需要还可以在【基本类的基础上开发自己的类 库。 v t k 支持多种数据类型，如有规则的或无规则的点阵( p o i n t s e t s ) ，图像( i m a g e ) ， 体元数据( v o l u m e ) 等，而且这些数据类型的互相转换也非常方便。在：类库中， 提供了丰富的、灵活的用于读取各种数据格式的文件，以及其相互转换的类，如从 v t k l m a g e r e a d e r 继承而来的各种用于读取图像的类，v t k b i t m a p r e a d e r ( 位图读取 类) ，v t k j p e g r e a d e r ( j p e g 图像读取类) 等。 v 采用的是流水线( p i p e l i n e ) 机制，大 体框架如图2 所示。s o u r c e 是流水线的开始， 首先通过读入文件等方式产生源数据，本文 中读入的就是一组序列的位图文件。滤波器 ( f 丑t c r ) 可以有若干的数据输入并可以产生若 干的数据输出，是一个独立的计算模块，功能 是对数据作各种变换。原始数据经过若干个 滤波器处理后便可以得到我们要求的计算 结果。m a p p e r 是流水线( p i p e l i n e ) 的终端，将 f i l t e r 处理后的数据转换为图形数据，是可视 化流水线和图形模型之间的接口。显示数据 f i l t e r i m a p p e r l a c t o r j r r e n d e r e r 图2 ( 的框架图 的时候，首先通过要建立一个显示窗1 3 ，a c t o r 是显示窗口中的实体，接收m a p p e r 传过来的数据属性。然后建立一个r e n d e r e r , 通过r e n d e r e r 把结果最终在窗口中 演示出来，一个窗口可以建立多个r e n d e r e r 。 本文涉及的关键技术内容有以下几个： 原始点云数据的三维显示。 数据的优化，它主要包括三个过程： 提取兴趣区。 补洞。 首都师范大学硕士学位论文复杂场景真三维几何表达方法研究 平滑。 网格的初步构建。 网格的简化和模型的渲染显示。 纹理的贴加和渲染显示。 其中原始点云数据的三维显示、提取兴趣区和补洞是基于o p e n g l 渲染弓 擎开发的。其他的数据流程都是基于v t k 而开发的。 1 0 首都师范大学硕士学位论文复杂场景真三维几何表达方法研究 瓣三维重建概述 2 1 三维重建的原理 图像三维重建是科学计算可视化技术的重要组成部分，在反求工程、汽车制 造、医学影像、地形绘制和文物复原等领域得到广泛的应用。决定图像重建质量 的因素有两个：空间数据场的精确测量和产生形象结果的重建算法。空间数据场 的测量是图像重建的基础，测量结果的精度直接决定图像重建的质量。常用的测 量方式有机械接触式触发测量和光学非接触扫描测量。接触式触发测量法由于测 量费用高、效率低、探头磨损速度快和使用场合有限等缺点已逐步被淘汰：非接 触测量法大都需配备三坐标测量机，成本较高，而且现有的测量方法只能测量物 体的上表面。本文所介绍的方法是利用c c d 摄像机的非接触、分辨率高、测量速 度快的长处和激光光源的高亮度、良好的相干性和方向性等优点，把激光扫描技 术与双c c d 立体摄像的优点结合起来，且实验中使用了线式激光源，使立体视觉 测量技术无法根本解决的图像匹配问题得到处理，使测量的效率和精度得到较大 的提高。同时所用的重建算法是在利用传统三角网格法的基础上再利用简单几何 模型的自适应变形法，使重建结果更详细逼真。 2 2 表面数据的测量 本测量思想来源于传统的激光三角测量法。由于激光三角测量法在应用时有 许多定位参数的要求，而在测量设备上标定这些参数非常困难，在实际测量时如 果这些参数无法准确得到将直接影响测量的结果：另外，当测量设备有微小的变 动时，系统中的每项参数必须重新标定，所以该方法的弹性很差。激光三角测量 法的上述缺点显然不能满足图像重建所要求的高效率和高精度。为了克服这些缺 点，本装置采用双c c d 摄像机以消除定位参数，而且采用双c c d 摄像机可以有效地 避免盲区的产生：同时使用线式激光源比使用点式激光源能使测量速度大为提 高，相对于面式激光源，该方法可使在两台c c d 摄像机上得到的图像精确地得到 匹配，然后根据两共扼点在c c d 摄像机上的二维坐标经过融合即可得到同一坐标 系下点的三维定位( 这里说明的是，这些硬件部分的实现是由清华大学运动信息 首都师范大学硕士学位论文复杂场景真三维几何表达方法研究 实验室完成，也是国家8 6 3 重点项目之一，已经通过了国家8 6 3 项目的验收。本研 究的实验数据来源于这套硬件系统，采集工作由本人完成。软件实现和数据处理 是本研究的核心和研究主旨。这里对硬件原理作一介绍，主要是因为国外成熟的 三维激光扫描成像系统都是软硬件紧密结合的完整系统，笔者希望呈现给读者完 整的数据流程和系统总体的理解和把握) 。 其工作流程如图3 所示： 激光扫描数据融合 2 2 1 表面扫描 三维重建 图3 重建过程流程图 表面扫描过程就是线式激光器扫描被测对象的物理表面，两台c c d 摄像机接 收部分漫反射光线并成像。扫描装置包括：h e n e 线式激光器( 等级1 1 l a ，波长6 3 3 r i m ，计算坐标时可把线式激光源看作直径为一定值的点的集合) ，两台c c d 摄像机， 一台实时图像处理器，均为一般实验室常用的设备。要求h e - n e 线式激光器能提 供高亮度、低强度且具有良好空间特性的红线，在计算坐标时将激光线看作由有 限个直径为6 0 0 u m 的激光点组成的：c c d 摄像机分辨率为6 0 4x2 9 4 ，帧率6 0 h z ：实时 图像处理器用于处理由c c d 摄像机得到的图像，以找到目标激光点在两张二维图 像上的坐标位置。一旦被测目标和c c d 摄像机的相对位置确定。每个激光点在c c d 摄像机上成像的尺寸即已确定，本装置中激光点成像的尺寸以5 一1 7 倍于像素尺 寸最为合适，因为过大的尺寸可能是其他光源漫反射成像的结果，而过小的尺寸 又可能是噪声的影响。激光点成像的最终位景由组成该点且符合尺寸和灰度要求 的像素由其位置相关度的平均值决定。 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 2 2 2 数据融合 数据融合就是将经两台c c d 摄像机在不同坐标系下得到的某激光点的二维 坐标和转换到同一三维坐标系中，其原理如图4 所示。为了简化算法，将被测目 标的中心设为世界坐标系的原点，点p ( x ，y ，z ) 均为被测目标上某一点，0 ；和o ：分别 为左、右摄像机镜头的焦点，左、右图像所在的平面垂直于纸面；( i l i + ) 和( u 2 + v z ) 为点在左、右两幅图像上所对应的点的坐标，l 为摄像机焦点n x 轴的距离， 两台c c d 摄像机的光轴平行且距离为2 d ，如图5 所示。 被铡物体 z 图4 测量的立体原理图图5 测量的俯视原理图 图5 中，由于两摄像机不一定关于激光面对称，其测量原理与立体视觉测量 相似，不同点在于本装置由于利用了线式激光器扫描，可以使左、右图像得到精 确的匹配。所谓匹配是指根据对所选特征的计算建立特征间的对应关系，将同一 空间物理点在左、右两张图像中的映像点对应起来。由于图5 中两摄像机的光轴 平行，由外极线约束可知v l = v 2 ，再由唯一性约束可知，图5 所示的两点p 和p 即 为两共辘点，可以精确地进行点的匹配。图像匹配示意图如图6 所示。 ( a ) 左图像伯) 右图像 图6 图像匹配示意图 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 分别在左、右二维坐标中利用三角形相似原理得 u id + x f 2 l + zf v 1 = 一上 fz + l u 2d x v 2 y 丁2 石i 下2 一丽 由式( 1 ) 和式( 2 ) 直接得： 州磊u i4 u 2 ) d y = 鲁z = 羔一l 2 3 三维重建 得到表面各点的空间坐标后可由三角网格模型实现表面的三维重建。为了得t ， 到更细腻的特征描述，我们采用简单几何体的自适应变形法对三角网格模型重建 法进行优化。 由于图像的象素总是有限的，因此用计算机进行图像重建的时候，首先总是 需要对图像进行离散取样和量化。数据获取过程中是很容易造成图像失真的，因 此我们应该首先通过滤波来提高图像的信噪比，再利用插值来建造新的二维图形 以近似补偿在扫描后丢失的部分物体的信息，以完成以后的工作。另外，数据的 分类是很重要的步骤，通过对数据的分类，我们得到三维灰度( r g b a ) 图像以 外，还得到了一个三维属性图像。而这个属性图像表达的才是需要传递给用户的 真正信息。 对于三维物体的几种比较典型的描述方法有：骨架描述法，体元描述法和表 面描述法等等。同一种物体可以有不同的描述方法，各自具有不同的特性，需要 根据实际问题来选择相对简洁而有效的表示方法，在此基础上构造模型，以便于 识别和理解。 骨架描述法，也称线条描述法，是采用线条来表示物体简单轮廓的方法。这种 方法简单易于实现，但是比较粗糙，无法细致地描述物体的许多特点，方法难以 满足系统的要求。 1 4 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 体元描述法，采用空间分解的方法，对空间体元进行不断的切割处理，最后 得到一个由规则体构成的非规则复杂物体的近似。这种方法包括有物体的内在信 息，从而实现体数据的表达。 表面描述法，采用多边形来对物体的表面进行拟合，这是最常用的一种方法， 由于空间任意三点总能找到通过它们的平面，因此经常被选用的多边形是三角 形。相对于体元描述法，计算量也比较小，但是忽略了物体内部的信息，这是它的 一个缺点。 c o n t o u r c o n n e c t i n g 是较早提出根据体数据绘制三维图形的一个算法。它是 在二维数据切片( d a t a s l i c e ) 中逐一提取闭合的等值线，然后将相邻切片的等值线 相连接，形成曲面网格逼近等值表面。所以这是一个基于面的体视化算法，依物 体空间序遍历体数据，对每个数据切片，定义一个阈值，找出与阈值相对应的等 值闭合曲线，这个过程对相临切片而言是独立的。这种方法比较简单，但是有很 大的实用性，在很多领域都有应用。 另外，对于一般的表面描述方法构造的三维图形，总要通过一定的方法进行 平滑处理，才能达到比较满意的效果，显然攫取的数据越多，重建后物体的平滑 程度就越高。然而攫取数据总是有限度的，另外无论采用哪种图片输入方法都会 造成一定的信息丢失，所以需要采用一定的插值方法来近似丢失的数据。选取一 个好的插值算法，既能弥补丢失的数据又能够达到物体平滑的目的。当然在选取 表面平滑算法的时候，需要对速度和精度同时进行权衡，以得到一个更合理的效 果。 总结： 在这里要说明的情况有以下几个： 1 ) 本研究更多关注的是数据处理和三维重建部分。硬件部分已经由清华大 学运动信息实验室完成。 2 ) 虽然硬件部分已经通过了国家8 6 3 项目的验收，但是还不能说是一套非常 完善的扫描系统。它在精确程度、准确度和误差影响等方面还不能和国外成熟的 同类激光扫描产品相媲美，这也就造成了相应的数据处理流程有一定的不同。 3 ) 国外成熟的同类产品是可以做到深度信息( 在系统里转化为空间坐标即 点云数据) 和彩色信息的同步获取的，这样，纹理贴加的实现就相对的容易，颜 首都师范大学硕士学位论文复杂场景真三雏几何表达方法研究 色信息和空间信息的匹配也比较准确。 但是，由于研发的过程中，硬件开发者首先关注的是空间信息的准确性和数 据获取的实现，本硬件系统还做不到上述这一点。这就需要有一个纹理贴加的数 据流程来达到模拟显示的目的，以增加几何表达的效果。 4 ) 完整的数据流程应该包括数据配准的操作，即不同扫描站点数据之间的 配准。 1 6 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 第三章数据获取 3 1 激光三维扫描系统的测量原理 是指对场景的三维数据的获取，这一步主要是由激光扫描仪来完成的。为了 高效而高质量的获取一个大型场景或模型的完整的三维数据，还有很多的问题， 比如扫描视点的规划、扫描分辨率的选择等等。我们这里的数据获取只是从硬盘 上读取激光三维扫描数据，它也被称为深度数据，原因是数据中的每一个点表示 的是扫描视点到被扫描点的距离。这些距离可以通过具体的空间关系转化为相对 于扫描视点的空间坐标。 激光三维扫描系统的核心部分是激光三维扫描仪。三维激光影像扫描仪是一 种集成多种高新技术的影像扫描测量系统。主要包括激光测量系统和激光扫描系 统同时也集成c c d 数字摄影和仪器内部校正等系统。其核心技术有两个：其一是 空间点阵扫描技术，其二是激光无反射棱镜长距离快速测距技术。 ( 1 ) 激光扫描系统 通过内部伺服马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿x 、 y 两个方向快速扫描，实现高精度的小角度扫描间隔、大范围扫描幅度及高帧频 成像。 ( 2 ) 激光测距系统 主要采用脉冲法测距原理，测距过程主要分为四个环节： 激光发射一发出一个极窄高速激光脉冲： 激光探测将回波信号转换为电信号： 时延估计一生成回波脉冲信号： 时延测量一测量回波脉冲与发射脉冲的时间之隔。 r 3 ) - 维测量坐标原理 激光三维扫描仪本身是将无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自 动化快速测量系统。激光三维扫描仪通过数据采集获得测距观测值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o 。地面激光扫描三维测量一般使用仪器内部坐标系统，x 轴在横向扫描面内， y 轴在横向扫描面内与x 轴垂直，z 轴与横向扫描面垂直( 如图7 所示1 。由此可得 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 到三维激光脚点坐标的计算公式 图7 激光三维扫描系统测量原理 激光三维扫描系统经过近几年的发展，在测程范围、测距精度、测量速度、 测量采样密度、激光安全等方面取得较大的进步，测量数据处理软件功能方面也 趋于完善。重点在于测绘方法的可操作性、量测的精度以及点云数据处理软件的 应用方面。 扫描系统得到的就是我们的原数据，也就是大量的点云数据，代表了现实模 型或者建筑物的表面细部特征。本研究采用的实验数据和相应的扫描场景如图8 所示： d d 蕊 傩 如良口蛔i | 莩蛐 暑 曩 - x y z 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 图8 扫描系统得到的原始点云数据 3 2 激光三维扫描系统和传统测绘方法比较 2 2 1 测量精度和外界环境的要求不同 激光扫描直接测量得到的测点精度高于摄影测量中的解析点，模型化精度高 且分布均匀；激光扫描仪对光亮度和温度并无要求，所以可以全天候进行。这有利 于古建内部细部扫描。 2 2 2 原始数据格式不同 扫描所得到的数据是由带有3 维坐标的点所组成的点云，可以直接在点云中 进行空间量测；而摄影测量所得到的数据是影像照片，单独的一幅影像照片则无法 进行空间量测。 2 2 3 拼接各测站问数据的方式不同 扫描系统采用坐标匹配方式，而摄影测量则采用相对定向和绝对定向方式。 2 2 4t i n 模型建立方式不同 在激光扫描系统中可以直接进行，而在摄影测量中，则首先需要用特定的软件 进行相片间的匹配处理。 2 2 5 纹理的提取方式不同 激光扫描系统由反射强度来匹配与真实色彩相类似的颜色或从数码影像中 获取；而摄影测量则根据影像照片直接获得真实的色彩。 首都师范大学硕士学位论文复杂场景真三维几何表达方法研究 4 1 数据优化过程 第四章数据的优化 数据优化是一个多阶段处理过程，主要包括： ( 1 ) 对进入数据仓库的数据进行优化，了解三维重建目标。 ( 2 ) 生成目标数据集，包括数据集的选择或变量子集的聚集或数据抽样。 ( 3 ) 数据清洗与优化：包括一些基本操作如消去噪声、收集模型必要的信息、 对噪声进行说明、对操纵丢失数据域策略的选择、对时间序列的信息说明和对己 知变更的说明，以及有关d b m s 的一些问题，如数据类型、模式及丢失的和未知的 值的映射等。 ( 4 ) 数据简化与投影：包括根据任务的目标寻找数据的有用特征表示，使用维 数简化或变换方法对待考察变量的有效数目进行简化或寻找数据的不变表示。 研究数据优化方法具有很重要的现实意义，它表现在以下方面： ( 1 ) 任何三维重建的方法特别是激光三维的扫描数据都离不开对数据的优 化。 ( 2 ) 优化方法的发展面对的基本和难点问题( 如数据量的巨大与高维、用户交 互与先验知识的利用、丢失数据的处理及模式的可理解性等) 的有效解决都有待 于对数据优化进行深入地研究和探索。 目前对数据进行优化的方法有以下几种：数据变换、数据的清洁和洗刷、数 据集成、数据聚集和概括，以及对休眠数据的处理。 4 2 对点云数据进行优化的必要性 对原始的点云数据进行优化的主要目的就是去除各种噪声的干扰，使最终的 模拟效果尽量的逼近模型或者建筑物的真实形态，同时可以在计算机的环境下实 现复杂场景下模型三维重建的最佳效果，实现目标模型的几何表达。 基于实际的数据采集操作和复杂场景各种情况的分析。噪声的产生最主要在 以下几个方面： ( 1 ) 非兴趣区数据扫描带来的噪声。 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 这种噪声是不可避免的，数据扫描的横竖规则性势必会带来这种噪声。例如， 我们在扫描一个建筑物的时候，有时候就不可避免的把建筑物周围的树木或者其 它的建筑物等采集进来，这也就产生了大量的我们不感兴趣的冗余数据。首先这 对于我们感兴趣的模型的三维重建没有意义，而且对于数据的进一步处理以及计 算机的运算速度都是巨大的障碍。 ( 2 ) 机器本身带来的系统误差。 这种干扰也是先天性的，因为扫描仪是基于机器原理进行工作的，它就必然 存在自身的系统误差以及一些累计误差，这也就会对最终的扫描数据带来一定的 影响。体现在原始的点云数据上就是相对于真实的模型有一定或者轻微的偏差， 这种误差的大小取决于机器的性能。 例如，我们在扫描的时候经常发现，一个墙面上扫出来的数据在计算机的环 境下进行还原显示后并不是严格的在一个平面上，总是会有一些点数据对于平面 有轻微的位置偏差。这种偏差对于任何机器都是存在的，即使国际上已经得到好 评的成为商品的扫描仪也一样。而本研究采用的机器是清华大学运动信息实验室 进行激光三维扫描仪国产化战略而研制开发的样机，它在性能上可能和国外成熟 的同类产品还存在一定的差距。基于这些原因，对原始的电云数据进行一定的优 化来尽量的抵抗这种误差是数据进行后续处理的必要前提。本研究采用了一定的。 空间平滑算法，实验证明效果良好。 ( 3 ) 点云数据的空间漏洞。 在扫描建筑物的时候，常常会有一些遮挡带来数据的噪声和干扰。例如，树 木，电线杆子等周围物体。 还有另外一种情况也会带来点云数据的空间漏洞，那就是扫描的激光在扫描 到玻璃的时候，这是由激光本身的特性决定的。 这些原因造成的的漏洞就带来了数据的不完整性，同时也为后续的数据处理 和真正的特征信息提取带来了障碍，而且数据的不完整也同样会带来纹理贴加的 漏洞。这在一定的程度上就影响了了最终的模拟效果。 当然还可能存在一些其他的数据噪声需要进行优化，作为研究本文只对以上 三种情况进行讨论并提出相应的解决方案和程序处理。 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 4 2 1 提取兴趣区 在实际的应用过程中，一些用户不感兴趣的数据经常会不可避免的被采集。 例如，用户对一个建筑物进行扫描，旁边的树或者其他的建筑物并不是用户关心 的内容。这种情况下，给用户提供一定的交互操作来提取兴趣区，去除冗余数据 的过滤工具就是必不可少的。这样，数据就得到了净化，减少了计算机的处理压 力，同时也可以提高程序的运行速度。 对于本研究的实验数据，我们感兴趣的只是处于扫描中心的建筑物。所以， 我们应该进行兴趣区的提取。提取后的实验效果如图9 所示： 图9 提取兴趣区之后的结果数据 通过上面的处理，数据得到了精简，同时也降低了计算机的运算压力。这也 使后续的数据处理流程有了针对性。 这部分的程序是在o p e n g l 环境下得到实现的，主要运用的就是二维到三维 进行空间影射的原理： g l d o u b l ex ，y ，z ； g l g e t d o u b l e v ( g l _ m o d e l v i e w _ m a t r i x ，m d l m o d e l m a t r i x ) ； g l g e t d o u b l e v ( g l _ p r o j e c t i o n _ m a t r i x ，m d l p r o j m a t r i x ) ； g l g e t i n t e g e r v ( g l _ v i e w p o r t , m _ n l v i e w p o r t ) ； s p a c e p o i n tr e t u r np o i n t ； g l u p r o j e c t ( ( g l d o u b l e ) p x ，( g l d o u b l e ) p y ， ， 首都师范大学硕士学位论文复杂场景真三维几何表达方法研究 ( g l d o u b l e ) p z ，m _ d l m o d e l m a t r i x ，m _ d l p r o j m a t r i x ，m _ n l v i e w p o r t ， x ，& y ，z ) ； r e t u r np o i n t x = x ： r e t u m _ p o i n t y = m _ n l v i e w p o r t 3 - y ； r e t u r n _ p o i n t z = z ： r e t u r nr e t u m _ _ p o i n t ； 通过上面这段核心程序就可以把三维空间的数据点p 的三维坐标转化成二维 空间下的屏幕坐标，从而通过相应的位置、距离或者角度运算实现冗余数据的删 除。交互效果如图l o 所示： 图1 0 提取兴趣区的交互效果 图中的红色就是选中的点云数据，通过进一步的用户确定( 比如说按下d e l e t e 键) ，就可以实现删除。 首都师范大学硕士学位论文复杂场景真三维几何表达方法研究 4 2 3 补洞 激光三维扫描仪获取的点云数据是空间连续的，但是由于模型表面介质或者 数据处理的原因，可能形成一些数据的“盲区”，我们称为“洞”。例如，建筑物 的窗户上面的玻璃就会造成这种情况；还有，由于扫描视点的限制，数据的采集 有可能受到其它的遮挡，这在建筑物的表面也会形成“洞”。这些都会造成模型 表面点云数据的不连续，势必影响进一步的数据处理和表面特征的表现。所以， 补洞也是数据优化不可或缺的重要环节。 “补洞”就是对空问点云数据的漏洞进行数据的更替，变数据的不连续为空 间有规则的连续。当然因为原有空间点云数据的遗失，这种数据的“补偿”也是 尽量的去靠近和模拟原有的数据，从而尽可能的恢复模型的最真实表现形态。又 因为真实模型的表面变化不是固定的，其空间特性就不是唯一的，所以这种模拟 只能是一种逼近式的模拟 有时候还可能需要研究更多的数学模拟模型，例如二 次线形，b 样条等。作为研究和由于时间关系，本文只对线形插值作了实验，效 果非常好。 以下两图是进行补洞操作前后的结果。 图1 1 补洞前的原始数据( 白色框里面就是数据的漏洞区) 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 4 2 4 平滑 图1 2 补洞后的点云数据 曲面激光数字化测量是一种非接触式扫描测量，其数字化测量的速度与机械 接触式相比要高十倍甚至数十倍，测量的精度也可以满足一般数字化测量的要求， 因而激光数字化测量在反求工程中有着越来越广泛的应用。由于激光数字化测量 得到的是一种密集采样的数据集，这种数据集在测量的过程中不可避免的要受到 各种随机误差的影响，其结果将会导致眭自线或曲面的不平滑。对于这类随机误差， 在数据集进入cad 建模前需要加以消除。 由于测量过程中，测得的数据不可避免要受到各种随机测量误差的影响。本 文介绍的数据平滑处理方法，可以有效地减少这一误差。 这是一个对数据进行过滤的处理过程，初步拟定采用l a p l a c i a n 光滑算法来调 整点的坐标。其最终的效果就是对点云数据进行“缓和”，即降低变化的剧烈度， 使顶点更加平坦的分布。经过平滑处理，可以减少无效数据，为后续的处理流程 提供良好的数据准备。 l a p l a c i a n 算法的处理过程如下：首先，对每一个顶点v 进行拓扑和几何分析 来确定哪些顶点是和v 相连接的，又有哪些基本图形组成单元( 简称图元) 是与v 相连接的。然后，我们就可以构造一个相应的连接数组( 连接数组的数据成员就 是与每个顶点直接相连的顶点列表) 。接下来，一个数据处理过程会覆盖所有 的顶点。根据与每一个顶点相连的那些顶点坐标的平均值，顶点v 的坐标进行相 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 应的修改。这个过程不断的循环，处理所有的顶点。这个过程从顶点列表的头开 始，到列表的尾结束，这就是一次迭代。进行许多次的迭代后( 通常大约2 0 次左 右) ，一个理想的结果就会得到。 图1 3 是未经过平滑处理的最终模型图： 图1 3 未经过平滑处理的最终模型图 从上图可以看到在没有经过平滑处的情况下模型的表面还是特别的粗糙的， 而且也是非常的不光滑。这就大大降低了数据的空间表现力，同时也为以后的数 据处理带来了更多的障碍。 图1 4 是经过平滑处理的最终模型图： 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 图1 4 经过平滑处理的最终模型图 从以上两图的比较可以看出，经过平滑处理的数据模型在空间表现力上大大 增强了，消除了大量的随机误差，得到了很好的可视化效果。 首都师范大学硕士学位论文 复杂场景真三维几何表达方法研究 5 1 网格构建概述 第五章网格的构建 以上论述的几章都是进行计算机可视化和三维重建的数据准备，这些数据代 表了模型的空间特征和局部细节，但是这些数据还不是最终的三维重建结果。一 方面，这些数据不能实现空间上的无缝，不管扫描的空间分辨率多高，他们都是 点云数据，在局部放大的情况下，都是有缝隙的。另一方面，大量的冗余数据给 计算机带来运算障碍，也很难在计算机的环境下进行渲染和现实模拟。 要克服这一问题，就必须进行无缝的三维建模，即实现点云数据向面数据的 转化。而面数据的类型也是特别的多，例如。三角网、四边行网和五边行网等。 这些中，最成熟的理论和技术就是三角网( 1 1 n ) 的研究，也是应用最广泛的。 在计算机图形学、几何造型和计算机动画领域通常用多边形网格( 一般为三 角形网格) 来描述场景中的图形物体。 三角网( d 三角网即d e l a u a y 三角网) 在道路勘测设计一体化、地理信息系 统、计算机图形学等领域有着广泛的应用。所谓d 一三角网是指对于给定的点集， 建立的三角网满足“空外接圆特性”，即每个三角形的外接圆内不包含点集中的 其它点，同时d 三角网中的三角形最小角度是最大的。符合该特性的d 三角网 是唯一的，并且是最优的。如何快速构建d 三角网，一直是众多学者研究和关注 的焦点。迄今为止出现了不少成熟的算法，主要有分割一合并算法、逐点插入法 及三角网生长法。s h