三维激光扫描技术

三维激光扫描技术

摘要：三维激光扫描技术由于其扫描速度快、直接获得数字信息、非接触性、扫描效率高、使用简单方便等优点，使其在当今工业生产、科技研究、生活等各方面的应用越来越广泛。本文简单介绍了三维激光扫描技术的发展历程及现状，并从几个方面介绍了三维激光扫描技术的原理，以及三维激光扫描技术的特点和现在应用领域。

关键词：三维激光扫描原理特点应用

1、三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术Three-Dimensional Laser Scan Technology，又称“实景复制技术”。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，快速建立物体的三维影像模型的一种技术手段。

随着科技的进步和工业技术的发展，三维测量在应用中越来越重要，三维激光扫描技术是伴随这激光扫描技术、三维测量技术以及现代计算机图像处理技术产生和发展的。

2、三维激光扫技术的优势

（1）三维测量:传统测量概念里，所测的的数据最终输出的都是二维结果（如CAD出图），在现在测量仪器里全站仪，GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的，在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，因为其直观是二维无法表示的，现在的三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息，还包括R,G,B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的。

（2）快速扫描:快速扫描是扫描仪诞生产生的概念，在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等，更甚者，要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求，三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹，而现在脉冲扫描仪（scanstation2）最大速度已经达到50000点每秒，相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点每秒，这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证，古文体，工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。

3、三维激光扫描技术的国内外研究现状

国外在这方面起步比较早，技术已比较成熟。

1994年，M．Levovy和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率的彩色图像获取并重建了Michelangelo的主要雕塑品，并提出了一系列相关的技术。

1997年，加拿大NRC（National Research Council）的El-Halkim构建了自己的硬件平台，他们将激光扫描仪和CCD照相机固定在小车上，得到了一个数据采集和配准系统，并于1998年在原有系统的基础上实现了一个室内的三维建模系统。

2001年，Y．YU等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实现提取出来，并对物体的三维模型提供了编辑和一定功能。

2002年，I．Stamos和P.K.Allen 实现了一个完整的系统，该系统能同时获得室外大型建筑的深度图像和彩色图像，并最终会付出建筑物具有照片真实感的三维模型。除此之外，Fruh等人使用2D激光扫描仪、数码照像机并同时借助航空图像和航空激光扫描数据恢复了建筑物屋顶带有色彩的集合模型，得到了更为完整的街区三维模型。

国内对于三维激光扫描重建技术起步比较晚，但是也在部分领域取得一定的成果。自2000年起至今，北京大学的三位视觉与机器人实验室使用具有不同扫描特性的激光扫描仪，全方位摄像系统与高分辨率照相机完成了建模对象集合于纹理采集并通过这些数据的配准与无缝拼接完成了三维物体模型的建立。2005年，首都师范大学三维空间信息获取与地学应用教育部重点实验室给出了一种基于激光扫描数据的室外场景表面重建方法，该方法可以完成建筑物单一表面的重建。

目前国内外对于三维激光扫描技术的研究均受到复杂场景的几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件、复杂的地形以及不规则的未知遮挡物等限制，因此如何快速而又精确的扫描出复杂的三维物体仍是研究该技术的关键。

4、三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描仪则是对确定目标的整体或局部进行完整的三维坐标据测量,这就意味着激光测量单元必须进行从左到右,从上到下的全自动高精度步进测量(即扫描测量),进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点坐标数据,这些密集而连续的点数据也叫做/点云。这也就使三维激光扫描测量技术发生了质的飞跃,这个飞跃也意味着三维激光扫描技术可以真实描述目标的整体结构及形态特性,并通过扫描测量点云编织出的/外皮来逼近目标的完整原形及矢量化数据结构,这里统称为目标的三维重建。

如图1所示，将O点作为坐标系原点建立坐标系，P(x,y,z)是空间内任一点，从O点发射出去的激光光束的水平方向与X轴的夹角α和垂直方向Z轴角度θ，得到扫描点到仪器的距离值 S，就可以计算出P点空间点坐标信息。

三维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、定向四个方面。

图1：三维激光扫描技术原理图

4.1测距方法

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 接收点位于长度为的高精度基线两端，并与目标反射点构成一个空间平面三角形。如图2所示：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γ、λ，激光扫描仪的轴向自旋转角度α，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。计算原理如公式（1）所示：

{x=cosγsinλ

sin(γ+λ)

L

y=sinγsinλcosα

sin(γ+λ)

L

z=sinγsinλcosα

sin(γ+λ)L

（1）