文献检索 三维激光扫描技术及应用.docx
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文献检索三维激光扫描技术及应用
文献检索报告单
课题名称:
三维激光扫描系统研究及应用
院系:
光电工程学院
班级:
学生姓名:
学号:
成绩:
2012年10月26日
姓名:
__学号:
__班级:
__ 成绩:
__________
课题:
三维激光扫描系统研究及应用
检索工具一:
名称:
三维激光扫描系统的关键性技术研究
网址:
http:
//202.119.208.220:
8002/kns50/detail.aspx?
dbname=CDFD2007&filename=2007078661.nh
类型:
博士论文
检索途径:
中国知网
检索词:
三维激光扫描(3Dlaserscanning)、技术(technology)、原理(principle)
检索结果记录:
摘要:
为获取三维数据信息及对所获得的三维数据信息进行处理,首先介绍了陕西科技大学计算机实验室三维激光扫描系统的组成及工作原理,对三维激光扫描系统的关键性技术如摄像机标定、影响测量精度因素、散乱数据点的消除以及点云数据的压缩问题的研究进行了概述,并指出该技术的应用在某些方面还需进一步完善和改进。
0引言
随着图形应用领域的扩大,如何将现实世界的立体信息快速的转换为计算机可以处理的数据成了人类追求的一个目标。
三维激光扫描技术是整个三维数据获取和重构技术体系中最新的技术该技术以获取被测物体三维轮廓数据为目的,主要包括数据测量与数据后续处理,与传统的测量技术手段有很大的区别。
它能够快速获取物体表面每个采样点的空间位置坐标,然后借助于计算机软件处理,用点、线、多边形、曲线、曲面等形式将立体模型描述出来,便可以重建出实体的表面模型。
三维激光扫描技术真正做到了直接从实物进行快速的逆向三维数据采集及模型重构,即从二维到三维的全景三维实测数据重构。
伴随着光电传感器件以及计算机技术的日趋成熟,其技术也得到了不断的丰富和发展,越来越广泛的应用对该技术的发展也提出了更高的要求。
利用三维激光扫描技术进行高效率、低成本、高精度、高质量的空间数据采集、处理,协同GPS定位技术应用可以解决一直困扰中国数字化信息采集的难题。
1三维激光扫描系统的组成
(1)三维激光扫描仪:
本实验中选择功率为3mW的半导体砷化镓激光器。
扫描仪使用高30cm,宽度1mm长度200cm左右的激光面(又称激光刀)取代点激光测距中的点激光。
激光面和物体交会可生成一条测线。
这条测线相当于500~1024个激光点,因而从理论上说可以提高采样速度500~1024倍。
(2)视频采集卡(即图像采集卡):
视频采集卡是系统中非常重要的部件,它将CCD送出的视频信号先进行A/D转换,再输出YUV信号并压缩。
本系统视频采集部分不仅接收摄像系统传来的视频信号,还要接受载有方位角信息的脉冲信号,从中分离出同步信号、像点信号和方位角信号。
(3)数据采集系统:
这个系统主要完成对视频采集系统送来的信号的精密测量,高速存贮,并在适当时候由主处理机取回数据,形成物体的三维数据供后续处理用。
(4)旋转平台:
平台能够在指令控制下平稳地启动、停止、运转,平台上设置的方位角传感器可以产生方位角脉冲信号。
(5)数据处理计算机:
电脑主机采用IBMPCPentium2.8G,120G高速硬盘,1GDDR内存的配置,由接口、总线以及专用板卡把系统其它部分联系起来,通过运动控制卡控制机械转台的起停、转速,通过图像采集卡从CCD摄像机采集图像。
图像处理、数值计算等工作也都在主机上完成。
2三维激光扫描系统的工作原理
本系统z轴方向上固定摄像机和激光器,可以作上下移动,激光器固定于传感器中央,半导体激光器直接投射出线结构光到物体表面,与物体表面相交成一光条,激光器两旁固定两台摄像机用来摄取光条图像(如图2所示)。
x轴和y轴方向可以作平行工作台的x、y方向移动。
三维激光扫描的基本思想是用具有特殊结构形状的激光光源投射到待测物体上,形成光条纹,然后用左右两侧的摄像机拍摄的图像提取激光条纹的三维信息,激光发生器和左右摄像机同步围绕被测物体旋转,从而快速获取被测物体表面的三维坐标数据。
陕西科技大学计算机实验室三维激光扫描系统采用一套快速采集物体表面数据的硬件系统电路,与计算机相连即可实时处理来自左右摄像机输出的视频信号,获取被测物体的三维坐标数据。
工作时先确定扫描速度,根据零件大小确定扫描的轮廓等参数,然后在计算机控制下按一定的路径扫描,由摄像头获取的图片在计算机中经过细化、离散等处理得到空间的三维坐标点,最后对这些数据点云过滤、拟合生成三维图形。
传感器前方固定了一个电控平移台,通过调整传感器的位置,保证投射光平面垂直于电控平移台的移动方向。
在电控平移台上固定一个电控旋转台,扫描时,将被测物体放在电控旋转台上,计算机通过串口发送信号至控制箱,从而控制电控平移台和电控旋转台按照一定的运动流程移动或转动,形成光平面相对于物体的扫描运动,从而达到测量物体表面3D轮廓的目的。
最后,系统中计算机接收数据采集器送来的物体外型轮廓线的原始数据和方位角数据,计算出物体轮廓线的三维坐标,按用户数控加工的要求输出精确的物体外形三维数据文件和三维数控加工文件。
3三维激光扫描系统的关键性技术研究
3.1摄像机标定
摄像机标定就是从CCD摄像机获取的图像信息出发来计算三维空间中物体的几何信息,并由此重建和识别物体。
而空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的,这些几何模型参数就是摄像机参数。
在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到,这个过程被称为是摄像机标定。
摄像机标定一直是三维激光扫描系统乃至整个计算机视觉系统研究中的关键问题[2]。
摄像机标定过程实际上是三维视觉模型重建的过程,也是确定摄像机外部参数(包括摄像机相对世界坐标的位置及方向的参数)和内部参数(包括内部几何参数及光学参数)的过程。
其标定的目的是建立物体的三维世界坐标和计算机采集到与其对应的二维图像坐标之间的关系。
这种关系的建立,使得我们可以通过采集的二维图像来恢复物体的三维信息。
目前,根据应用背景的不同,计算机视觉标定方法主要可以分为传统的摄像机标定方法和自标定方法:
前者依赖于已知尺寸和形状的标定物计算摄像机内外参数,这个已知尺寸和形状的标定物称为标定标靶或者标定块。
一般而言,用于摄像机标定的标定块上的特征点的世界坐标已知(在实践中应该是容易测定的),特征点的图像坐标容易求取。
后者利用摄像机在运动过程中周围环境的图像与图像之间的对应关系对摄像机进行标定。
它是种新兴的标定方法,其渐渐成为计算机视觉领域的一个研究热点,有其独特的优势,在许多特定领域有广阔的应用空间,如通讯、虚拟现实等。
一般来说,传统摄像机标定方法应用在场合所要求的精度很高且摄像机的参数不经常变化时。
自标定方法在标定过程中尚有不足之处,如在某些情况下,自标定技术得到的解不是惟一的,即使在图像噪声很小时,求解的值与实际值也有较大的差别,故不适合高精度的三维反求应用。
3.2测量精度
精度是决定一个测量系统的优劣的主要因素之一。
影响三维激光扫描系统测量精度的因素较多,主要有离散误差、环境光背景噪声、特征提取的精度、镜头畸变(由于摄像机光学系统存在装配误差和加工误差,使得物体点在摄像机图像平面上实际所成的像与理想成像之间存在光学畸变,物体点在摄像机成像面上实际所成的像与理想成像之间存在有光学畸变误差)、标定误差、表面散斑、摄像头景深、图像中心偏移、图像信号的稳定性以及双摄像机的安装装置对精度的影响等方面。
其中以标定误差、镜头景深(一般对景深影响的因素主要有光圈、摄距与焦距)的影响为最大。
鉴于以上各种因素的影响,为了提高三维激光扫描系统的精度,目前采用的措施有:
图像的亚像素提取技术,提高视觉传感器的分辨能力(系统分辨率越高,越能真实反映物体表面细节,但是过高的水平和深度分辨率会对CCD摄像头和图像采集卡提出更高的要求,而过高的垂直分辨率会导致扫描时间过长或使同步扫描系统速度太快,由此而来,会使整个系统数据量太大,数据处理速度缓慢。
因此,系统分辨率的确定必须考虑现有常用CCD和图像卡的分辨率及扫描系统的扫描速度);改进标定模型和标定方法降低标定误差(主要是摄像机的标定);尝试不同的硬件和结构提高镜头的景深。
3.3散乱数据点的消除
在三维激光扫描过程中,由于杂散光、背景光或者CCD内部产生的热噪声、电噪声、图像采集卡本身和信号在电子电路传输过程中带来的随机噪声,还有运行中其它一些意外因素的影响都会给采集的图像质量带来很大的影响,因此激光扫描到的数据点可能会重叠,也可能会有少部分的无用点,即噪声点,并且这些点都是没有规律且具有散乱数据点的性质。
噪声点依据其性质可以分为两大类:
一类是不想被扫描的物体而被扫描仪获取的点集;另一类是被扫描目标物体上位置有偏差或位置不合理的点集。
前者应被删除,后者则应该侧重调整噪声点的位置。
另外,点的密度也在随着物体的梯度和CCD的位置而变化。
由于这些不属于扫描实物的本身的数据也被记录到了数据文件中,必须先予以删除。
从实际扫描数据的分析中发现,散乱数据一般都是孤立的数据点或数据点列,其周围缺乏必要的与其它数据点的联系,所以设计一个小型滑动窗,以每一个数据点为中心,调整一定的距离阈值,判断其相邻的数据行上的点是否在此阈值之内,如果在,则表明此数据点在物体扫描数据的聚集中,保留此数据点,反之,则删除。
图3
为在理想的数据点中添加了杂散点的坐标图,从图中可以看出,在圆周数据点周围含有一些杂散点。
3.4点云数据的压缩处理
在计算机领域中,压缩技术对于提高工作效率及降低硬盘空间成本都是具有极其现实的意义。
采用激光扫描法采集的数据量往往十分密集[9],数据量一般都在数兆字节,甚至达数十兆字节,即使处理了噪声点,数据量仍然很大,这样的数据通常形象的被称为“点云”数据。
一般不会直接使用这些数据进行曲线或曲面的重构,因为那样做,会使计算效率大大降低,消耗更多内存,而且重构出的曲线、曲面的精度并不一定高,甚至误差会很大。
随着测量精度要求的提高,三维激光扫描仪获取的很多“点云”数目包含大量的冗余数据,因此要对“点云”数据进行筛选压缩处理。
一般的筛选压缩方法就是设定一个最小距离,然后沿扫描线方向比较相邻两点的距离,小于阈值的就删除;还可以连接扫描线首末两点,从中间点中选取与两点距离最接近的点作为中断点,然后以第一点与中间点之间、中间点与最后一点之间重复上述过程,知道所求的距离小于某一固定阈值中止,将点排序即可。
还有人采用了斜率法和曲率不连续法用于数据点的判断筛选,并应用到产品的设计开发中。
4结束语
三维激光扫描技术是近年来研究的一个热点问题,由于该技术在我国刚刚起步,为实现研究的完整性,进一步提高整个系统的应用水平,包括测量速度、精度、操作方便性,以及彩色信息匹配的准确程度等,所以在以下方面还需要进一步完善和改进:
(1)进一步改进标定方法,对标定计算进行误差修正,提高系统三维测量的精度。
(2)做到系统小型化,能够自由携带。
(3)选配不同焦距的镜头以便适应不同大小及形状的扫描工件。
(4)应继续开拓视觉测量的应用领域。
比如在线的质量控制,产品检测以及三维仿真等方面的应用。
但从需求上来说,三维激光扫描技术发展潜力是巨大的,它将朝着不断提高精度、灵活性、易用性的方向发展。
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(1):
111-114.
检索工具二:
名称:
探讨三维激光扫描技术的应用
网址:
类型:
会议论文
检索途径:
XX搜索引擎
检索词:
三维激光扫描(3Dlaserscanning)、应用(application)、技术(technology)
检索结果记录:
摘要:
三维激光扫描技术是一种新型的测绘技术,被称为“实景复制技术”。
通过河传统的测量技术的比较,介绍了三维激光扫描仪的基本原理、技术特点,探讨了三维激光扫描技术的应用。
结果表明:
三维激光扫描技术,拓宽了测绘技术的应用范围。
随着对三维激光扫描技术的深入研究,其应用领域将越来越广阔。
1引言
近些年来,随着工程测量服务领域的不断拓宽及三维设计制造对测量精度的要求,传统的坐标测量仪器如全站仪、断面仪等已经不能满足高精度的三维坐标采集和“逆向工程”的需要。
相比这些传统的测量技术,三维激光扫描技术具有极大的技术优势,特别是在数据采集方面,具有高效、快捷、精确、简便等特点,被广泛的应用于各个领域。
2三维激光扫描技术
三维激光扫描技术,采用非接触式高速激光测量方式,来获取地形或复杂物体的几何图形数据,最终通过后处理软件对采集的云点数据和影像数据进行处理分析,转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型,以多种不同的数据格式输出,来满足空间数据库的数据源和不同应用的需要。
2.1系统组成
(1)三维激光扫描仪;
(2)数码相机;(3)后处理软件;(4)电源及附属设备。
2.2工作原理
三维激光扫描技术,通过内部的激光脉冲发射器向目标物发射激光脉冲,反光镜旋转,发射出的激光脉冲扫过被测目标信号接收器接收来自目标体反射回来的激光脉冲,通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被目标体到扫描中心的距离同时扫描控制模块控制和测量每个激光脉冲的水平扫描角nr和竖向扫描角p,后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标(云点),进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。
2.3三维激光扫描技术特点
三维激光扫描技术,具有精度高、速度快、分辨率高、非接触式、兼容性好等优势,被誉为“测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命”。
通过与传统测量技术,如全站仪、近景摄影测量、航空摄影测量等类比分析,主要有以下特点:
1)非接触式。
三维激光扫描技术采用非接触式高速激光测量方式,不需反射棱镜,直接对目标体进行扫描,采集目标体表面云点的三维坐标信息。
在目标危险、环境恶劣、人员无法到达的情况下,传统测量技术无法完成,此时三维激光扫描技术优势明显。
2)数字化程度高、扩展性强。
三维激光扫描系统采集的数据为数字信号,具有全数字的特征,易于处理、分析、输出、显示。
而且后处理软件用户界面友好,能够与其它常用软件进行数据交换及共享,可与外接数码相机、GPS配合使用,拓宽其应用范围,具有较好的扩展性。
3)高分辨率。
三维激光扫描技术可以进行快捷、高质量、高密度的三维数据采集,‘从而达到高分辨率的目的。
4)应用广泛、适应性强。
由于其良好的技术特点,在工程建设各领域,应用广泛。
对使用条件要求不高,环境适应能力强,适合野外测量。
3三维激光扫描技术
由于三维激光扫描仪技术特别适合于对大面积的、表面复杂的物体进行精细测量,所以其应用范围极广。
3.1文物修复
对受损的文物进行修复时,要求无接触测量,传统测量无法胜任,但现在可充分利用激光扫描仪的非接触测量特点以及高分辨率和高精度云点数据,获取建筑物表面的精细结构,提供修复数据,进行精细测量,对文物进行修复。
3.2边坡变形监测
三维激光扫描技术可以获取高密度、高精度的三维云点数据,因此,对边坡的变形监测能反映坡体的总体变形趋势和量级。
其操作过程是对边坡定期进行扫描,将前、后两次扫描点云数据叠加在一起,然后由处理软件分析前、后两次点云数据的差别,从而得出边坡的变形趋势和量级。
3.3开采沉陷监测
由于三维激光扫描技术具有快捷、高分辨率、高精度等特点,在进行开采沉陷监;则是,可以对地表的移动进行观测,可以快速获得整个目标区域的空间位置及垂直相对位置的变化从而确定整个地表移动区域的下沉情况。
3.4城镇地籍测量
在以往的城镇地籍测量中,调查结果多为图件和报表形式。
可用性差。
而三维激光扫描仪能够生成形象的三维图像,对获取的三维云点数据进行建模,方便在电脑上进行量测,精度也有了较大的提高。
当然,以上只是其部分应用。
由于其良好的技术优势,在逆向工程、数字城市、工业测量、医学测量等不同领域均能得到很好的应用。
4总结
由于三维激光扫描技术具有良好的技术优势,已成为目前测绘领域的—个新的热点。
虽然针对兰维激光扫描系统的应用研究还处于初级阶段,但已在工程建设中得到了很好的应用。
随着研究的深入及与其他测量技术的结合,三维激光扫描技术的应用将更加广泛。
参考文献
[1]李秋,秦永智,李宏英.激光三维扫描技术在矿区地表沉陷监测中的应用研究[J].煤炭工程,2006.
[2]赵威成,裴亮.Cyrax2500三维激光扫描系统在建筑中的应用田矿山测量.2006.
[3]刘正军,钱建国,张正鹏,王坚三维激光扫描数据获取高分辨率DTM试验研究[J].测绘科学,2006.
[4]沈迪宸.我国工程溺4量的发展趋势与对策田.地理信息世界,1998.
检索工具三:
名称:
基于单次三维激光扫描的树木测量和重建方法
网址:
类型:
发明专利
检索途径:
中国科学院知识产权网
检索词:
三维激光扫描(3Dlaserscanning)、应用(application)、专利(patent)
检索结果记录:
申请号
CN200810056259.2
专利名称
基于单次三维激光扫描的树木测量和重建方法
申请日
2008.01.16
公开(公告)号
CN101488226
公开(公告)日
2009.07.22
申请(专利权)人
中国科学院自动化研究所
申请人地址
100080北京市海淀区中关村东路95号
发明人
张晓鹏;程章林
专利类型
发明专利
IPC主分类号
G06T11/00(2006.01)I
IPC分类号
G06T11/00(2006.01)I;G06T17/00(2006.01)I;G06K9/36(2006.01)I
摘要
本发明一种基于单次三维激光扫描的树木测量和重建方法,涉及计算机图形和计算机视觉技术,包括步骤:
数据预处理,轴向估计,三维骨架计算,三维模型生成。
本发明的方法仅利用激光扫描仪单次扫描数据得到忠实于原始树木的枝干形状和半径信息,方法主要操作在二维图像空间进行,算法简单有效,重建结果准确,在虚拟现实、电脑游戏、自然场景模拟、城市景观设计等计算机图形学应用领域和农林业调查、树木测量等邻域具有重要的应用价值。
主权项
1.一种基于单次三维激光扫描的树木测量和重建方法,其特征在于,包括下列步骤:
1)数据预处理,包括两个子步骤:
a)感兴趣树木的分割:
选择合适的视点用激光扫描仪对树木进行三维测量,使用聚类方法从扫描得到的原始点云数据中将感兴趣的树木分割出来;b)生成树木深度图像:
将上一步得到的树木点云表示为深度图像格式,图像中各像素点的次序与扫描次序相同,像素的深度值对应各点到扫描仪的距离;2)轴向估计,包括五个子步骤:
a)跳跃边缘提取:
使用滞后阈值提取深度图像的跳跃边缘,初步分离不同的枝干;b)初始骨架提取:
求取上一步分离枝干在各水平、竖直扫描线方向上的中点及到边缘的距离,去除非骨架点后得到水平、竖直方向上两套独立的初始骨架点;c)枝干分解:
根据上一步初始骨架点的连续性在水平、竖直方向上分解树木枝干,使得每一区域仅包含一个枝干或枝干的一部分;d)初始轴向计算:
在初始骨架点的邻域内进行快速圆柱拟合求取该点处的轴向;e)轴向求精:
综合两套初始骨架点及其邻域内的轴向,利用投票技术得到更准确更鲁棒的轴向信息;3)三维骨架计算,包括两个子步骤:
a)三维骨架点及半径求取:
根据上一步求得的轴向信息在各横截面上计算三维骨架点及半径;b)骨架点连接:
按照各骨架点在三维空间及深度图像空间的位置、轴向信息连接相邻的骨架点,形成分段线性骨架;4)三维模型生成,由上一步得到的骨架和半径信息生成广义圆柱模型;分级骨架模型和广义圆柱模型可以用于树木测量,把广义圆柱模型离散为网格模型,用于渲染。
代理机构名称
中科专利商标代理有限责任公司
代理人姓名
周国城
法律状态公告日
2009.09.16
法律状态
实质审查的生效
法律状态信息
实质审查的生效
法律状态公告日
2009.07.22
法律状态
公开
法律状态信息
公开
检索工具四:
名称:
三维激光扫描测量技术在海港礁石区测量中的应用
网址:
http:
//202.119.208.220:
8002/kns50/detail.aspx?
dbname=CJFDTEMP&filename=GAOG201204022
类型:
期刊
检索途径:
中国知识资源总库
检索词:
三维激光扫描(3Dlaserscanning)、应用(application)
检索结果记录:
摘要:
三维激光扫描测量具有速度快、点位精度高、采集数据完整等特点,可用传统测量方法不能测及的区域。
重点介绍地面型三维激光扫描测量的工作原理和测量步骤,并结合工程实例就三维激光扫描测量与近景摄影测量的优缺点、测量精度等进行分析比较,可供同类工程参考。
1引言
沿海港口工程中常遇到对船舶进出港威胁极大的礁石,礁石区的海底地形测量通常采用船载定位仪和测深仪利用高潮时段进行,低潮时由人工采用全站仪或GPS定位仪对船舶不能到达的区域进行补测。
有些礁石区即使在最高潮时也不能完全淹没,低潮时由于风浪太大测量人员也无法登上礁石,采用常规手段根本无法施测。
港口工程的设计和施工均需要准确的礁石区位置和高程信息,以便制定炸礁方案、准确计算炸礁方量,显然采用常规测量手段很难达成目标。
随着测量技术的不断发展,现有的激光三维扫描仪可采用非接触方式进行测量,具有采集数据速度快、点位精度高、分辨率较高和数据完整性好等特点,将激光三维扫描测量技术用于人员无法到达的礁石、危崖等区域,可以解决对此类区域进行准确测量的难题。
2三维激光扫描测量技术的应用
2.1三维激光扫测的实施步骤
1)控制测量:
为得到测量坐标系下礁石区的地形数据就必须进行控制测量,这是将各测站的独立坐标转换成统一测量坐标的前提。
设置控制点时应有利于标靶的摆放、定向、检查和扫描,要根据激光扫描仪的有效测量距离和地形条件确定控制点间距。
为保证点云数据的有效拼接与坐标转换,每个测区至少要设置3个
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- 关 键 词:
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