3D激光扫描仪测量及数据处理

3D激光扫描仪测量及数据处理

罗振宇 王乾鑫 石野

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：3D激光扫描技术是20世纪90年代新兴的一门测量技术，采用非接触式高速激光测量，以获取研究目标的三维坐标和数码照片的方式，快速高效的得到目标的三维立体信息，因此该技术有着广泛的应用。另外，3D激光扫描技术的产生和发展是时代进步的体现，推动了许多行业的发展和进步。同时，这项技术使测量技术领域在数据的提供上有了更高的精准度。

关键词：3D激光扫描仪；测量原理；数据处理

随着信息科技的发展，三维模拟、实物重构、虚拟现实等理论的相继提出，人们对事物的认识已从平面二维空间，逐渐转向3D立体思维模式。3D激光扫描仪的出现解决了这一实际问题，通过3D激光扫描技术，又称“实景复制技术”，以其非接触、扫描速度快、获取信息量大、精度高、实时性强、全自动化、复杂环境测量等优点，克服传统测量仪器的局限性，成为直接获取目标高精度三维数据，并实现三维可视化的重要手段。它极大地降低了测量成本，节约时间，使用方便，而且应用范围广。

一、3D激光扫描仪测量原理

3D激光扫描仪基于激光的单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重测量速度和操作简便的同时，保证了测量的综合精度，其测量原理主要分为测距、测角、扫描、定向四方面。

1、测距原理。激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分，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。目前，测距方法主要有：三角法、脉冲法、相位法。

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。激光发射点和CCD接收点位于长度位的高精度基线两端，并与目标反射点构成一个空间平面三角形。如图1所示，图中，通过激光扫描仪角度传感器可得到发射、入射光线与基线的夹角分别为 、 ，激光扫描仪的轴向自旋转角度 ，然后以激光发射点为坐标原点，基线方向为X轴正向，以平面内指向目标且垂直于X轴的方向线为Y轴建立测站坐标系。通过计算可得目标点的三维坐标，然后结合P的三维坐标便可得被测目标的距离S。

图1 三角测距原理

2)脉冲测距法。其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。激光发射器先向目标发射一束脉冲信号，经目标漫反射后到达接收系统，设测量距离为S，光速为c，测得激光信号往返传播的时间差为 ，则有：

S＝

从式中可看出，影响距离精度的因素主要有c和 ，而精度主要由大气折射率所决定，目前n的精度很高，对测距影响小； 的确定可通过前沿判别，高通容阻判别，恒比值判别或全波形检测技术等方法，保证测定精度。脉冲法的测量距离较远，但其测距精度较低，当前大多数3D激光扫描仪都使用这种测距方式，主要在地形测绘、文物保护、“数字城市”建设等方面有较好的应用。

3)相位测距法。它是用无线电波段频率，对激光束进行幅度调制，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。相位型扫描仪可分为调幅型、调频型、相位变换型等。设激光信号往返传播产生的相位差为 ，脉冲的频率为 ，则所测距离S为：

S＝

由上式可知，这种测距方式是一种间接测距方式，通过检测发射和接收信号之间的相位差，获得被测目标距离。测距精度较高，精度可达到毫米级。

以上三种测距方法各有优缺点，主要集中在测程与精度的关系上，脉冲测量的距离最长，但精度随距离的增加而降低。相位法适合于中程测量，具有较高的测量精度，但它是通过两个间接测量才得到距离值，所以应用这种测距原理的3D激光扫描仪较少。三角测量测程最短，但其精度最高。

2、测角原理

1)角位移测量。区别于常规仪器的度盘测角方式，激光扫描仪通过改变激光光路获得扫描角度。把两个步进电机和扫描棱镜安装在一起，分别实现水平和垂直方向扫描。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制微电机，它可实现对激光扫描仪的精确定位。在扫描仪工作过程中，通过步进电机的细分控制技术，获得稳步、精确的步距角 ：

＝

式中：Nr是电机转子齿数,m是电机相数，b是各种连接绕组的线路状态数及运行拍数。在得到 的基础上，可得扫描棱镜转过的角度值，再通过精密时钟控制编码器同步测量，便可得每个激光脉冲横向、纵向扫描角度观测值为 、 。

2)线位移测量。激光扫描测角系统由激光发射器、直角棱镜和CCD元件组成，激光束入射到直角棱镜上，经棱镜折射后射向被测目标，当3D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，则可得扫描角度值。

3、扫描原理。3D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、纵轴方向快速扫描。目前，扫描控制装置主要有：摆动扫描镜和旋转正多面体扫描镜。其中，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。而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。

4、定向原理。3D激光扫描仪扫描的点云数据都在其自定义的扫描坐标系中，但数据的后处理要求是大地坐标系下的数据，这就需要将扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下，此过程被称为3D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，求得两坐标系间的转换参数，包括其平移、旋转参数。

二、3D扫描仪的点云数据处理

在3D激光采集数据时采集的是点云数据，一般包括下列步骤；

1、噪声去除。由于各种外界干扰因素和设备本身的误差，在获取点云数据时，扫描获得的数据不可避免的会带有噪声，而噪声的存在严重影响了数据的质量，影响点云数据建模质量和后续处理的效率。针对网格模型的去噪算法已有了广泛深入的研究，但直接对散乱点云进行去噪的算法较少，一般把去噪算法分为各向同性、异性去噪算法。前者算法简单，但在去噪时会对噪声与点云模型的特征不加区别的平滑。后者和主要思想是对扩散方程进行修改，使其成为非线性或各向异性。由于曲率张量决定了局部噪声的扩散，因此各向异性去噪在剔除噪声时，能保留甚至增强模型特征。但此类算法依赖大量结构信息来保持细节，这会影响扩散方程的数值条件，使计算量大。一般认为一种好的点云去噪算法，不但要能去除噪声，还能有效保留重建模型的特征，以保体积和防止顶点漂移。

2、多视对齐。多视对齐是说被测量的物体形状多大或比较复杂，那么在扫描时就不能一次性的测出所有数据，这样的情况需从不同位置去进行多视角的多次扫描，多视对齐的实质就在于此。

3、数据精简。点云数据的精简是指在海量云技术数据中，在不影响曲面重构和保持着一定精度的情况下需将数据进行精简，而比较常用的精简模式有平均精简、按距离精简两种。如若想真实的反映扫描目标，那就需要准确的将需要扫描的数据用曲面表示出来，这项过程就是曲面重构。

4、曲面重构。较常见的曲面表示种类有；细分曲面，暗含的函数表示，明确的函数表示，三角形网络，参数曲面，曲化的面片等。其中，参数曲面重构是对几何形状进行的描述，这项理论起源于60世纪，其主要思想是用一组基函数做为分权因子，在通过一组初始控制向量的线性组合获得形体的连续表示，一般都采用的参数曲面有Bezier曲面、B样条曲面、NURBS曲面等。细分曲面重构主要针对复杂的物体表面模型重建和曲面的拼合问题，是从初始的多面体控制网络开始的，应用某种细分规则，对新生成的每个网络定点进行相继归集的计算，网格顶点生成是原始网格的几个相邻顶点的加权平均，通过不断的细分，逐渐将控制网格磨光。在多次细分后，最终将控制网格收敛于一张光滑曲面，这就是重建曲面。

参考文献：

[1]孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘，2015(01).

[2]韩继旺.三维激光扫描仪的数据处理与精度控制[J].中国新技术新产品，2015(13).