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三维激光扫描技术 1三维激光扫描技术2三维激光扫描的原理3三维激光扫描系统组成4三维激光扫描技术的优点5三维激光扫描技术的发展趋势6激光扫描技术的应用 1激光三维扫描技术 三维激光扫描技术 又称 实景复制技术 它通过激光扫描测量的方法 获取被测对象表面的三维坐标数据 采集空间点位信息 快速建立物体的三维影像模型的一种技术手段 为什么要使用光三维扫描技术 三维测量 传统测量所测的的数据最终输出的都是二维结果 如CAD出图 数字化的今天 三维已经代替二维 三维激光扫描仪每次测量的数据直接包含点的空间坐标信息甚至还有其他关键信息 快速扫描 常规测量手段里 一点的坐标进行测量时间长 测量速度已经不能满足现代测量的需求 三维激光测量速度极快 用途 通过三维激光扫描 获得被测目标的三维点云数据 根据点云数据进行三维重构 原始图像三维点云数据图像 点云数据 扫描资料以点的形式记录 每一个点包含有三维坐标 甚至其它信息 三维重构 2三维激光扫描的原理 三维激光扫描 对确定目标完整的三维坐标数据测量 全景点坐标数据 点云数据 为了获得被测目标的三维坐标信息 其测量原理主要分为测距 角位移 扫描 定向四个方面 2 1测距方法激光测距对于激光扫描的定位 获取空间三维信息具有十分重要的作用 测距方法主要有 三角法 脉冲法 相位法 2 1 1三角测距法 三角法测距是借助三角形几何关系 求得扫描中心到扫描对象的距离 L 基线长 发射光线与基线的夹角 入射光线与基线的夹角 激光扫描仪的轴向自旋转角度三角法测量距离较短 适合于近距测量 测量范围几厘米到几米 精度可达微米级 2 1 2脉冲测距法脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离 C 光速 t 测得激光信号往返传播的时间差脉冲法的测量距离较远 几十米到几百千米 但是其测距精度较低 厘米级 现在大多数三维激光扫描仪都使用这种测距方式 2 1 3相位测距法相位测距法通过测定调制光信号在被测距离上往返传播所产生的相位差 间接测定往返时间 并进一步计算出被测距离 C 光速 激光信号往返传播产生的相位差f 脉冲的频率相位测距方法是一种间接测距方式 测距精度较高 毫米数量级 主要应用在精密测量和医学研究 精度可达到毫米级 脉冲测距法和相位测距法测得距离向坐标的转换原理X Scos cos Y Scos sin Z Ssin 发射激光光束的水平方向和x轴夹角角度 发射激光光束垂直方向角度 S 扫描点到仪器的距离值 三种测距法的比较 2 2测角方法2 2 1角位移测量法扫描仪工作是由步进电机驱动的 由步进电机步距角和步数 获得角位移 步进电机步距角Nr 电机的转子齿数 m 电机的相数 b是各种连接绕组的线路状态数及运行拍数 得到 b的基础上 可得扫描棱镜转过的角度值 进而得每个激光脉冲横向 纵向扫描角度观测值为 3 2 2线位移测量法适用于 系统由激光发射器 直角棱镜和CCD元件组成 当三维激光扫描仪转动时 出射的激光束将形成线性的扫描区域 CCD记录线位移量 根据其与距离S的比值则可得扫描角度值 2 3扫描方法三维激光扫描仪通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动 决定激光束出射方向 从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描 扫描控制装置主要有 摆动扫描镜 旋转正多面体扫描镜 摆动扫描镜为平面反射镜 由电机驱动往返振荡 扫描速度较慢 适合高精度测量 旋转正多面体扫描镜在电机驱动下绕自身对称轴匀速旋转 扫描速度快 2 4转换方法将扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下 这个过程就称为三维激光扫描仪的定向 在坐标转换中 设立特制的定向识别标志 通过计算识别标志的中心坐标 采用公共点坐标转换 求得两坐标系之间的转换参数 Oc成像透视中心 物镜的光学主点 Oc xcyczc 原摄像机坐标系 Ow xwywzw 世界坐标系 Pw xw yw zw 世界坐标系上的空间点 Pn Xn Yn CCD传感器相面坐标 由于镜头畸变实际成像点Pd Xd Yd 成像于计算机图像坐标中像坐标为 u v 空间任意一点世界坐标与对应计算机图像坐标中像素坐标的转换关系 k是镜头径向畸变系数 dx和dy分别是水平和垂直方向上CCD感光阵列的像元间距 sx是由于图像采集扫描或抽样时延误差而引起的水平方向不确定比例因子uo vo为像面中心 透视中心在计算机图像的像素坐标 所有参数中 f sx k dx dy uo vo为摄像机参数 需要通过摄像机标定确定 光平面参数r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 tx ty tz表示从摄像机坐标系到世界坐标系的转换关系 通过光平面标定确定 像素坐标到世界坐标的映射 按照坐标转换关系 从已知的像素坐标数据 u v 即 Xn Yn 求取对应点在世界坐标系下坐标 xw yw zw 获得点云信息后点云信息处理 模型的三维重建 3三维激光扫描系统组成 三维激光扫描系统组成 一般是由激光发射器 接收器 激光自适应聚焦控制单元 光路调节装置 光机电自动传感装置 以及后续处理用的计算机等 一种三维激光扫描系统图 仪器性能指标举例 徕卡ScanStation2 4三维激光扫描技术的优点 非接触测量数据采样率高主动发射扫描光源 不受扫描环境的影响具有高分辨率数字化采集 兼容性好易扩展性 易于和其他设备结合 5三维激光扫描技术的发展趋势 1 点云数据处理软件的公用化和多功能化 实现实时数据共享及海量数据处理 2 在硬件固定的情况下 测量方法和算法上提高精度 多种方法相结合 3 进一步扩大扫描范围 实现全圆球扫描 获得被测景物空间三维虚拟实体显示 4 与其他测量设备 如GPS IMU 全站仪等 联合测量 实时定位 导航 并扩大测程和提高精度 5 三维激光扫描仪与摄像机的集成化 在扫描的同时获得物体影像 提高点云数据和影像的匹配精度