Vivid三维激光扫描仪技术综述PPT课件.ppt

Vivid910三维激光扫描仪 技术综述 01 1 Vivid910简介 美能达公司生产的VIVID910高精度三维激光扫描仪采用激光三角法测量原理 重量llkg 扫描距离在0 5m 2 5m之间 精度可达 0 O08mm 准确度可达零点几个毫米 2 这种扫描仪有三种镜头可使用 这三种镜头主要针对不同的测距和扫描范围而设计 1 远焦镜头 焦距为25mm 最长测距可达2 5m左右 扫描范围小 2 中焦镜头 焦距为14mm 通常扫描都采用这种镜头 3 广角镜头 焦距为8mm 扫描范围大 3 激光三维场景的一般重建过程 对三维场景的重建有着通用的流程 一般将用激光扫描仪获取的数据称为深度数据 RangeData 因为这种数据包含了被扫描点远近距离方面的三维信息 使用深度数据采集设备重建三维场景的一般步骤如图所示 4 1 数据获取 为了建立准确的三维模型 我们需要获取原始的物体表面数据 采集物体表面数据的方法通常有三座标测量 工业CT等断层扫描 层析三维数字画测量 三维激光扫描等 由扫描仪得到的点通常比较密集 我们把它称之为点云 PointCloud 5 2 点云数据配准 被扫描的物体通常比较复杂 而一次扫描只能得到被测物的一个面的三维数据 要得到整个物体的表面模型 必须从不同的视点 也就是不同的位置和方向 采集物体的三维模型 把得到的数据合并起来 得到物体完整的表面模型 把不同视点采集的深度数据转换到同一个坐标系下 这就是数据配准过程 最简单而有效的数据配准方法 是在采集数据的时候放置一些标志物 通过标志物来确定不同视点之间的相对位置关系 但是这个方法受到的限制很多 在实际中常常难以使用 通常的方法还是使用手工选择对应点的方式 再使用各种算法 如迭代最近点算法 ICP算法 Hough变换平面提取等来进行配准 6 3 数据的融合与建网 当两片扫描得到的深度数据配准到同一坐标系后 其重合的部分必然会有两层数据 这就带来了数据的冗余和不一致 于是 就需要将这两片数据融合成一片 另外 由激光扫描得到的深度数据一般都是离散的三维点 我们称为点云 它们不能真实准确的表示实际物体和场景的表面 利用点云构建三角网格则是一种常用有效的方法 建网后的模型可以很好的逼近实物或场景的表面 目前散落数据点集的三角划分方法主要有二维和三维两种 二维划分比较常见 将空间数据点向二维平面投影后进行 当处理空间单项投影有重叠的多值曲面的散落数据点时需要进行分片向合适的平面投影 分别进行三角划分 7 对平面上点的三角剖分常用Delaunay 德劳内 三角化方法 其中又有最小内角最大准则 圆准则 PLC准则等一些优化准则 在得到网格模型之后 网格上一般还有很多问题 如需要对因数据采集设备的限制以及数据配准和建网时带来的误差积累带来的噪声进行降噪处理 另外由于模型自遮挡或者数据采集环境的限制 模型的有些部分可能会缺失 这就是模型上的空洞 通常要对有些空洞进行补洞操作 8 4 纹理映射 经过前面的过程可以得到场景的几何模型 它们已经具有了很好的几何准确性 但为了满足可视化的需要 我们还须对几何模型赋以颜色从而能够绘制成具有色彩真实感的三维模型 这就需要将拍到的场景的一系列彩色照片映射到几何模型上 也就是要解决一个由照片到几何的映射问题 9 基于三维成像仪的三维建模的一般流程 10 激光三角法测量原理 Vivid910使用Laser线光源 发射出栅条状的激光束 从物体反射回来的光通过CCD检测到 然后 到物体的距离由CCD获得的三维原始数据通过三角测距法得到 此种方法利用三角形几何关系求得距离 先由扫描仪发射激光到物体表面 利用在基线另一端的CCD相机接收物体反射信号 记录入射光与反射光的夹角 已知激光光源与CCD之间的基线长度 由三角形几何关系推求出扫描仪与物体之间的距离 为了保证扫描信息的完整性 许多扫描仪扫描范围只有几米到数十米 这种类型的三维激光扫描系统主要应用于工业测量和逆向工程重建中 它可以达到亚毫米级的精度 11 12 Polyworks8 0介绍 Polyworks是激光扫描点云数据处理集成软件之一 它是由加拿大依诺马软件出品 它的主要功能是快速和高品质地处理由各种各样的三坐标测量或三维扫描系统所获取的点云数据 继而自动生成通用的标准格式数据 Polyworks主要有polyworks Modeler和Inspector两大功能软件包 前者用于点云建模 后者用于点云处理和测量 作为点云处理的软体 Polyworks可以做点群资料合并 结合 断面切割及品质分析等 其强大的检测功能够更好的完成被检数据与生产技术数据的检验 比对工作 13 软件Polyworks8 0主要模块 IMAlign 匹配 IMInspect 检测 IMMerge 合并 IMEdit 编辑 IMCompress 压缩 IMTexture 纹理 IMView 视图 OutPut 输出 Utilities 公用 Languages 语言 Demos 演示 14 IMMerge模块功能是将拼接完成的三维扫描点云数据自动计算生成高分辨率的多边形模型 该模块的操作界面为一对话窗口样式 在该窗口对模型生成参数进行设置 所有参量设置完成并点击开始按钮 模块软件将对点云数据进行合并操作 将点生成面单元 合并过程的信息数据将在模块Output模块窗口中显示 其中模型计算的参数直接影响模型生成的时间 这些参数主要用来调整生成的多边形面片的平整度 多边形边长 采样步长等 15 Output模块主要功能是显示Polyworks软件的两类信息 一是所有模块突然终止的错误信息 一是由模块IMMerge IMCompress和IMTexture计算引起的 参量及计算进程等信息 16 IMCompress模块其用户界面与IMMerge模块近似 功能是优化生成的面片模型中点的数量 优化结果由参数控制 将合成后的或者编辑完的模型数据内的三角面片进行自动压缩 压缩方法按百分比或绝对值 所谓三角面片的压缩是指在保证形状不变形的前提下 尽量删除过多的三角面片 17 IMTexture模块是用来实现对模型进行纹理贴图功能 IMView模块的功能是查看三维模型数据 Utilities模块用于调用各模块的软件使用说明书 同时也是安装软件狗密码的入口 18 IMEdit将上述合成后的模型数据进行各种各样的编辑 编辑的主要内容是删除没必要的三角面片 弥补没有扫描到的漏洞 表面光滑 生成层面数据 生成带有厚度的模型 计算面积 计算体积 测量任意两点间的距离 转换数据格式 局部或全部进行三角面片的压缩等 19 Languages模块用来实现Polyworks软件的语言及字体的管理 模块内置包括英语 德语 日语 中文简体 中文繁体等5种语言模式 默认为英语 Demos模块为软件试用版启动窗口 其中提供试用的软件模块包括IMAlign IMMeompress IMEdit 这些软件无需安装软件狗即可启动操作 但数据结果不能保存 20 IMAlign模块主要用来实现各站扫描获取的点云数据的拼接 对于激光扫描获得的点云数据都是以扫描仪位置为零点的局部坐标系 亦即每次经扫描而得到的点云数据的坐标系是独立和不相关联的 但实际上每幅点云阵数据都是扫描场景的一部分 那么就有必要将这些点云数阵据转化到同一坐标系里 IMAlign模块就可以实现这一目的 在此模块中 点云数据的拼接方法有自动拼接和手动拼接等 拼接流程见图2 20 21 22 IMInspect模块主要功能是对拼接好的点云数据进行坐标转换 完成各项量测工作及剖面线的生成等 具体功能主要包括有 点云数据的大地坐标转换 各种几何体的拟合生成 包括点 线 面 圆柱 圆锥 矢量线等 点云数据的对比分析 几何尺寸量测 包括距离 角度等 体积 面积