激光三维扫描

1、三维激光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传统测量所测的的数据最终输出的都是二维结果（如（如CAD出图）。出图）。 数字化的今天，三维已经代替数字化的今天，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。点的空间坐标信息甚至还有其他关键信息。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应用用途： 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

2、维重构。作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域里应用。工具：三维激光扫描仪，其扫描结果直接显示为点云（pointcloud 意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果），利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的 。 原始图像三维点云数据图像三维点云数据图像（点云数据：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

3、建三维激光扫描原理三维激光扫描：对确定目标完整的三维坐三维激光扫描：对确定目标完整的三维坐标数据测量标数据测量, , 全景点坐标数据（点云数全景点坐标数据（点云数据）。据）。为了获得被测目标的三维坐标信息，其测为了获得被测目标的三维坐标信息，其测量原理主要分为量原理主要分为测距测距、角位移角位移、扫描扫描、定定向向四个方面。四个方面。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。用。测距方法主要有：三角法、脉冲法，相位法。测距方法主要有：三角法、脉冲法，相位法。脉冲测距法：脉冲测距法：脉冲测距法是通过测量发射

4、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.测角方法 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。步数，获得角位移。步进电机步距角步距角 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

5、光脉冲横向、纵向扫描角度观测值为、。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。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。扫描控制装置主要有：摆动扫描镜、旋转正多面体扫描镜。转换方法转换方法 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。扫描仪的定向。 在坐标转换中，

6、设立特制的定向识别标志，通过计算识别标志的中心坐在坐标转换中，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。标，采用公共点坐标转换，求得两坐标系之间的转换参数。 wZ P(X c,Y c,Z c) wY wX Z c p 1O x y O X c Yc 摄像机成像几何关系如图所示，其中O点称为摄像机光心， 1 轴和 轴与图像的x轴与y轴平行， 轴为摄像机的光轴，它与图像平面垂直。光轴与图像平面的交点，即为图像坐标系的原点，由点O与 、 、 轴组成的直角坐标系称为摄像机坐标系 为摄像机焦距。 Z O X Y摄像机定标一般都需要一个放在摄像机前

7、的特制的定标参照物（reference object） 。例如，图为一种定标参照物，摄像机获取该物体的图像，并由此计算摄像机的内外参数。定标参照物上的每一个特征点（图3中物体上每一小方块的顶点）相对于世界坐标系的位置在制作时应精确测定，世界坐标系可选为参照物的物体坐标系在得到这些已知点在图像上的投影位置后，可由公式计算出摄像机的内外参数。 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、v o为像面中心(透视中心在计算机图像的

8、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每扫描一个云点后每扫描一个云点后,CCD,CCD将云点信息转化成数字电信号并直将云点信息转化成数字电信号并直接传送给计算机系统进行计算。进而得到被测点的三维坐接传送给计算机系统进行计算。进而得到被测点的三维坐标数据。点云是由三维激光扫描的无数测量点数据构成的标数据。点云是由三维激光扫描的无数测量点数据构成的, ,而每个点坐标数据的质量都非常重要。而每个点坐标数据的质量都非常重要。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、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，以及后续处理用的置，光机电自动传感装置，以及后续处理用的计算机等计算机等。一种三维激光扫描系统图一种三维激光扫描系统图三维激光扫描技术的应用三维激光扫描技术的应用 案例一：在建筑设