大型物体三维扫描系统的算法和实现
２００２年第１６卷专刊测试技术学报ｖ０１．１６Ｍｏｎｏ２００２ＪｏＵＲＮＡＬｏＦＴＥＳＴＡＮＤＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ
大型物体三维扫描系统的算法和实现
许智钦宋丽梅郑义忠叶声华
（精密测试技术及仪器国家重点实验室天津大学天津中国３０００７２）
摘要；本文介绍了一种扫描人型物体三维尺寸和轮廓的方法，并且获得物体的三维模型。系统由激光器和彩色ｃＣＤ组成。彩色ＣＣＤ摄像机扫描物体两次，第一次扫描纹理，然后扫描三维信息。论文提供了完成尺寸测量和自动扫描三维物体的实际方法。
关键词：ＣＣＤ摄像机，三维扫描，激光器，
１．概述
现在对于３Ｄ数字软件的需求越来越高，随着ｃｐｕ性价比的不断提高和计算机３Ｄ处理速度的提高，通常的二维图形已经不能满足要求，用户更关心生动形象的３维模型的建立。由于计算机图形软件很难建立３维模型，所以可以将实际的物体数字化，以获得３Ｄ模型。但是数字化的成本很高，而且对用户的要求也比较高。
本课题组已经研制成功可以自动建立任意一
个大型物体的三维模型的系统。可以将系统应用
到逆向工程、虚拟现实、仿真、３Ｄ网页、三维打
印模型等。系统的主要功能见下：
（１）简单实用，不需要昂贵的数字转换
器。
（２）系统可以处理大型物体。先逐片扫描
物体，然后自动将所有的单位拼凑成
一个物体。
（３）形象生动的显示被扫描几何模型的
实际的纹理。
２．系统综述：
系统由一个无辐射激光发射器，一个６４０×４８０的彩色ＣＣＤ，一个红色滤光器，一个图像采集＃，一个电机驱动的位置调节平台，和奔腾３计算机一台（如图１所示）。系统可以获得包括纹理在内的几何信息。
激光器安装在一个电机驱动的可调平台上，所以整个物体可以在计算机的控制下，通过逐步扫描激光条纹获得。数据范围可以通过三角法得到。彩色ＣＣＤ获得的纹理也折合到数据范围中。
为了得到全面的表面信息，必须从不同的角度扫÷收稿Ｅｊ期：２００２．０３．２３图１：系统硬件
图２：精确标定模型 万方数据
三维激光扫描仪使用说明
瑞士徕卡三维激光扫描仪 产品型号：ScanStation c10 徕卡测量系统股份有限公司HDS高清晰测量系统部门是三维激光扫描解决方案的供应商，她是全球范围内将三维激光扫描技术应用于改建工程、细部测量、工程设计与咨询以及地形测量项目的领导者。其先进的高清晰测量扫描仪、软件以及“交钥匙”系统是高精度、确保投资回报、容易使用以及手段灵活的完美结合。除了这些产品之外，徕卡也向客户提供最全 面的客户服务和支持，并把客户介绍给业内最大也是经验最丰富的服务商网络。 徕卡测量系统的HDS产品家族包括：基于时间测量的HDS3000和ScanStationc10测量系统,基于相位测量的超高速系统HDS6000.这样的产品组合再结合Ｃyclone软件和CAD 插件Cloudworx，我们为用户提供完整的工程解决方案，用户可以获得符合徕卡品质的测量成果、完整的ＣＡＤ工具集成、高精度的可提交成果以及海量工扫描数据管理能力。 徕卡ScanStation 全球第一个带有全站仪功能的三维激光扫描仪 全方位视场角 360°×270°双轴补偿±5′ 全站仪级别的单点测量精度 有效的测距范围 300米 模型表面精度±2mm 全新四大特点： 1、全方位视角:360°×270° 徕卡ScanStation c10全站式扫描仪能够扫描建筑的天花板或顶棚、桥梁下底面、架空管道支撑架、高大物体的立面、柱状或塔式建筑物。全站仪的视场角没有限制，因此，测量员和其它专业人员在安置徕卡ScanStation 全站式扫描仪时，不需为视场角问题费心劳神。 2、高精度双轴（倾斜）补偿器:双轴补偿±5′分辨率1” 比全站仪更加灵活和自由，徕卡ScanStation c10全站式扫描仪可以根据测量控制点完成高精度的导线测量，因为它使用了和徕卡全站仪一样高精度的双轴（倾斜）补偿器。 3、测量级的点位精度:模型表面的精度±2mm 和有些扫描仪通过“多次测量取平均”的方法达到测量级的精度不同，徕卡ScanStation c10全站式扫描仪测量的单点精度也能达到测量级的精度。在远距离扫描时，徕卡ScanStation c10全站式扫描仪的超精细扫描保证了标靶扫描的精度以及扫描拼接的精度，用户会切身体会到其中的好处。
三维激光扫描系统
三维激光扫描系统 基本介绍 三维测量可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送讯号，三个轴的位移测量系统经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项功能的测量”。三维测量的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。 应用领域 机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型等测量高精度的几何零部件以及测量复杂形状的机械零部件。 三维测量技术的应用领域： 最近几年，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，目前三维扫描设备也逐渐商业化，三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已经成为当前研究的热点之一，并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。 (1)测绘工程领域：大坝和电站基础地形测量、公路测绘，铁路测绘，河道测绘，桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。 (2)结构测量方面：桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量;管道、线路测量、各类机械制造安装。 (3)建筑、古迹测量方面：建筑物内部及外观的测量保真、古迹(古建筑、雕像等)的保护测量、文物修复，古建筑测量、资料保存等古迹保护，遗址测绘，赝品成像，现场虚拟模型，现场保护性影像记录。 (4)紧急服务业：反恐怖主义，陆地侦察和攻击测绘，监视，移动侦察，灾害估计，交通事故正射图，犯罪现场正射图，森林火灾监控，滑坡泥石流预警，灾害预警和现场监测，核泄露监测。 (5)娱乐业：用于电影产品的设计，为电影演员和场景进行的设计，3D游戏的开发，虚拟博物馆，虚拟旅游指导，人工成像，场景虚拟，现场虚拟。 三维测量方式 1)将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，这项技术就是三坐标测量机的原理。三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，可以替代多种表面测量工具，减少复杂的测量任务所需的时间，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息。
大型物体三维扫描系统的算法和实现
２００２年第１６卷专刊测试技术学报ｖ０１．１６Ｍｏｎｏ２００２ＪｏＵＲＮＡＬｏＦＴＥＳＴＡＮＤＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ 大型物体三维扫描系统的算法和实现 许智钦宋丽梅郑义忠叶声华 （精密测试技术及仪器国家重点实验室天津大学天津中国３０００７２） 摘要；本文介绍了一种扫描人型物体三维尺寸和轮廓的方法，并且获得物体的三维模型。系统由激光器和彩色ｃＣＤ组成。彩色ＣＣＤ摄像机扫描物体两次，第一次扫描纹理，然后扫描三维信息。论文提供了完成尺寸测量和自动扫描三维物体的实际方法。 关键词：ＣＣＤ摄像机，三维扫描，激光器， １．概述 现在对于３Ｄ数字软件的需求越来越高，随着ｃｐｕ性价比的不断提高和计算机３Ｄ处理速度的提高，通常的二维图形已经不能满足要求，用户更关心生动形象的３维模型的建立。由于计算机图形软件很难建立３维模型，所以可以将实际的物体数字化，以获得３Ｄ模型。但是数字化的成本很高，而且对用户的要求也比较高。 本课题组已经研制成功可以自动建立任意一 个大型物体的三维模型的系统。可以将系统应用 到逆向工程、虚拟现实、仿真、３Ｄ网页、三维打 印模型等。系统的主要功能见下： （１）简单实用，不需要昂贵的数字转换 器。 （２）系统可以处理大型物体。先逐片扫描 物体，然后自动将所有的单位拼凑成 一个物体。 （３）形象生动的显示被扫描几何模型的 实际的纹理。 ２．系统综述： 系统由一个无辐射激光发射器，一个６４０×４８０的彩色ＣＣＤ，一个红色滤光器，一个图像采集＃，一个电机驱动的位置调节平台，和奔腾３计算机一台（如图１所示）。系统可以获得包括纹理在内的几何信息。 激光器安装在一个电机驱动的可调平台上，所以整个物体可以在计算机的控制下，通过逐步扫描激光条纹获得。数据范围可以通过三角法得到。彩色ＣＣＤ获得的纹理也折合到数据范围中。 为了得到全面的表面信息，必须从不同的角度扫÷收稿Ｅｊ期：２００２．０３．２３图１：系统硬件 图２：精确标定模型 万方数据
三维激光扫描仪
利用三维激光扫描仪提取塌陷裂缝 张飞跃 （西安科技大学，陕西西安 710600） 摘要：三维激光扫描技术作为一种新兴的测量技术，是一种先进的、自动化的、非接触式、高精度三维激光技术，是继GPS之后测量技术的又一次革新。由于地面沉降引起的地裂缝是一种日趋普遍且显著的地质问题，对矿区地表作物及生态产生重大影响。利用三维激光扫描仪并结合数字图像技术提取塌陷裂缝是对三维激光技术应用的又一次扩展。论文对三维激光扫描仪进行了详细的介绍说明并通过对矿区实地数据的处理和分析，探索三维激光扫描仪在地表变形监测领域的应用理论和方法。 关键词：三维激光扫描技术，点云数据处理，数字滤波，裂缝信息提取 Using three-dimensional laser scanner to extract Surface crack ZHANG Fei-Yue (xi’an university of science and technology) Abstract：As a new measurement technique,three-dimensional laser scanning technology is an advanced, automated, non-contact, high-precision three-dimensional laser technology, following another GPS measurement technology innovations. Due to cracks caused by ground subsidence is a common and increasingly significant geological problems, there has a significant impact on the mine surface crops and https://www.360docs.net/doc/153617631.html,ing three-dimensional laser scanner and digital image technology to extract collapse crack is another expansion of three-dimensional laser technology .This paper has been illustrated and described in detail by mine field data processing and analysis for three-dimensional laser scanner,to explore the three-dimensional laser scanner application theory and methods in the field of surface deformation monitoring. Key words: Three-dimensional laser scanning technology，Point cloud data processing，Digital Filter，Cracks information extraction 0 引言 三维激光扫描系统是一种集高新科技于一身的空间数据获取系统。利用地面三维激光扫描技术，可以进行复杂地形地貌的地区或是管线设施密集的工厂进行扫描作业，并可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，还可对采集的三维激光点云数据进行各种后处理分析，如测绘、分析、模拟、展示、监测、虚拟现实等操作。 在矿山开采沉陷研究中，传统地表沉陷观测方法在地表变形盆地主断面上步设一定密度的监测点获取地表变形数据。监测点数量有限，并且在较长的观测周期中出现因监测点难以保护而造成点位丢失的现象，给之后的数据处理工作带来
三维激光扫描仪的原理与其应用
三维激光扫描仪 2.1三维激光扫描仪研究背景 自上个世纪60年代激光技术已经开始出现，激光技术以其单一性和高聚积度在20世纪获得巨大发展。实现了从一维到二维直至今天广泛应用的三维测量的发展，实现了无合作目标的快速高精度测量。而且数字地球，数字城市等一系列概念的提出，我们可以看到：信息表达从二维到三维方向的转化，从静态到动态的过渡将是推动我国信息化建设和社会经资源环境可持续发展的重要武器。目前，各种各样的三维数据获取工具和手段不断地涌现，推动着三维空间数据获取向着实时化、集成化、数字化、动态化和智能化的方向不断地发展，三维建模和曲面重构的应用也越来越广泛[1]。传统的测绘技术主要是单点精确测量，难以满足建模中所需要的精度、数量以及速度的要求。而三维激光扫描技术采用的是现代高精度传感技术，它可以采用无接触方式，能够深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作。可以直接获取各种实体或实景的三维数据，得到被测物体表面的采样点集合“点云”，具有快速、简便、准确的特点。基于点云模型的数据和距离影像数据可以快速重构出目标的三维模型，并能获得三维空间的线、面、体等各种实验数据，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。 其中，地面三维激光扫描技术的研究，已经成为测绘领域中的一个新的研究热点。它采用非接触式高速激光测量的方式，能够获取复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终由后处理数据的软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，能以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同项目的需要。目前这项技术已经广泛应用到文物的保护、建筑物的变形监测、三维数字地球和城市的场景重建、堆积物的测定等多个方面。 2.2 三维激光扫描技术研究现状 2.2.1 主要的三维激光扫描仪介绍 随着三维激光扫描技术研究领域的不断扩大，生产扫描仪的商家也越来越多。主要的有瑞士Leica公司，美国的FARO公司和3D DIGITAL公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、法国MENSI公司、中国的北京荣创兴业科技发展公司等。这些扫描仪在扫描距离、扫描精度、点间距和数量、光斑点的大小等指标有所不同[2]。主要的分类见图1-1和表1-1。
三维激光扫描仪的使用说明
甘肃启奥地理信息工程服务有限公司 三维激光扫描仪 使用规范 二零一二年十二月
三维激光扫描仪以其长距离，高精度，快速度数据扫描的特点，能在条件恶劣，人员无法抵达的环境里，完成了一系列高难度、高强度的测绘任务，发挥出了其独有的优势，给我们测绘带来前所未有的效益。在使用RIEGL VZ-1000近一年半的时间里，我们也总结了很多经验，我将此仪器的常规操作做一简要总结，作为基本的使用规范： 一、外业基础工作 1.配件及外业准备工作 三维激光扫描仪外业测绘所需配件有：RIEGL VZ-1000主机、充电器、电瓶、电瓶充电器、数据线、电源线、笔记本电脑(电池，鼠标等)。 辅助设备：RTK1+1模式、仪器箱、内六方扳手、背包（仪器保护小棉袄）、木质脚架，简易脚架、记录本、觇板、反射贴片，卷尺等。 2.充电 1）三维激光扫描仪自带电池直接可以充电，由于其自身的电池保护功能在电池电量没有完全用完的情况下，首先开机放电，让其正常耗电，电量小于10%以下，电量显示为红色，方可继续充电，否则无法充电。充电时间保持8小时以上。 2）电瓶充电时，必须严格按照正负极标注进行接线，严禁违规操作。接通电瓶充电器，绿灯亮后，在仪表盘上，电压设置12V,电流设置18A以上。充电时间保持10小时以上。 3）其余设备（RTK、笔记本电脑、对讲机等）按正常标准充电，
充分保证野外工作的顺利经行 3.外业数据采集 1）找到合适的仪器架设位置后，固定脚架，使其基本平整，将扫描仪固定到脚架上，拧紧连接螺旋。先连接数据线(注意卡口，切记野蛮连接)，如果需用电瓶供电，再连接电源线缆。打开供电按钮，启动一起，同时启动电脑。在距离扫描仪15米左右视野开阔的地方，固定简易脚架，设置反射贴片位置,并记录反射贴片高度，反射贴片正对扫描仪。 2）扫描仪开机后，仪器下方出现激光束投射到地面上，找准激光位置，做好标记，量取仪器高并记录(激光投射地面点到脚架基座的高度,单位m)。 3）笔记本启动后，桌面上点击图标，启动软件，进入软件操作界面（见图1）。 图1 软件操作界面
快速掌握三维扫描仪的操作方法
快速掌握三维扫描仪的操作方法 随着国内三维扫描仪技术的成熟及在各行各业的普及，三维扫描技术已成为生产制造中的一项重要技术支撑，起着不可或缺的作用，并逐渐形成一门新的科学。如何正确高效的操作三维扫描仪成为了众多企业关心的问题。使用同样一款三维扫描仪扫描同一物体时，不同的操作人员得到的数据结果度会有一定的差异，其原因便在于扫描人员在操作过程中所掌握的操作技巧。掌握三维扫描仪操作原理比较容易，但如果想成为“扫描专家”还需要一定的学习与反复操作。 三维光学扫描仪：主要包括三维激光扫描仪和拍照式三维扫描仪。本案例以精易迅的拍照式三维扫描仪为例，简单叙述如何快速掌握三维光学扫描仪的操作方法：第一，前期的准备工作（主要分三步） 步骤1：确保稳定的三维扫描环境 进行三维扫描首先须确保三维扫描仪是建立在一个稳定的环境中（包括光环境：避免强光和逆光对射；三维扫描仪的稳固性等），要最大限度地减少环境破坏，确保三维扫描结果不会受到外部因素的影响。 步骤2：三维扫描仪校准（需要学习） 在三维扫描前，对机器进行校准尤为关键的一步。三维扫描仪要知道自身在什么环境下进行扫描，才能扫描出准确的三维数据。在校准过程中，要根据三维扫描仪预先设置的扫描模式，计算出扫描设备相对于对扫描对象的位置。 校准扫描仪时，应根据扫描对象调整设备系统设置的三维扫描环境。正确的相机设置会影响扫描数据的准确性，因此必须确保曝光设置是正确的。严格按照制造商的说明进行校准工作，仔细校正不准确的三维数据。校准后，可通过用三维扫描仪扫描已知三维数据的测量物体来检查比对，如果发现扫描仪扫描的精度无法实现时，需要重新校准扫描仪。 步骤3 ：对扫描物体表面进行处理 有些物体表面扫描是比较困难的。这些物体包括半透明材料（玻璃制品、玉石），有光泽，或颜色较暗的物体。对于这些物体需要使用哑光白色显像剂覆盖被扫描物体表面，对扫描物体喷上薄薄的一层显像剂，目的是是为了更好的扫描出物体的三维特征，数据会更精确。需要注意的是，显像剂喷洒过多，会造成物体厚度叠加，对扫描精度造成影响。注：显像剂不会对物体表面及人体造成损害，扫描完成后用清水洗掉即可。 第二，开始扫描工作 准备工作完成后便可以对物体进行扫描了。用三维扫描仪对扫描物体从不同的角度进行三维数据捕捉，更改物体摆放方式或调整三维扫描仪相机方向，对物体进行全方位的扫描。 第三，后期处理工作（主要分两步，比较简单） 步骤1：点云处理 目前市面上流行的三维扫描仪均为点云自动拼接方式，无需后期手动拼接，即对物体表面扫描完成后，系统会自动生成物体的三维点云图形。但需要操作人员对扫描得到的点云数据去除噪点（即多余的点云）以及对其进行平滑处理。 步骤2：数据转换 点云处理完后，要对数据进行转换，目前都是系统软件自动将点云数据直接转换成STL 文件的。生成的STL数据可以与市面上通用的3D软件对接。
三维扫描仪简介
三维扫描仪简介 随着信息和通信技术的发展，人们在生活和工作中接触到越来越多的图形图像。获取图像的方法包括使用各种摄像机、照相机、扫描仪等，利用这些手段通常只能得到物体的平面图像，即物体的二维信息。在许多领域，如机器视觉、面形检测、实物仿形、自动加工、产品质量控制、生物医学等，物体的三维信息是必不可少的。因此，如何如何迅速获取物体的三维信息并将其转化为计算机（如利用CAD 软件）能直接处理的三维数字模型就显得尤为重要。三维扫描仪正是实现这样的三维信息数字化的一种极为有效的工具。 三维立体扫描就是测量实物表面的三维坐标点集，得到的大量坐标点的集合称为点云（Point Cloud)。在中国南方，三维扫描俗称抄数，大家都管它叫抄数机。目前常用的三维扫描仪根据传感方式的不同，分为接触式和非接触式两种。 接触式测量仪采用探测头直接接触物体表面，通过探测头反馈回来的光电信号转换为数字面形信息，从而实现对物体面形的扫描和测量，主要以三坐标测量机为代表。 接触式测量具有较高的准确性和可靠性；配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面，圆，圆柱，圆锥，圆球等。但其最大的缺点是：测量费用较高；探头易磨损。测量速度慢；检测一些内部元件有先天的限制，故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿，因此可能会导致修正误差的问题；接触探头在测量时，接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数；由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越现象，趋近速度会产生动态误差。 随着计算机机器视觉这一新兴学科的兴起和发展，用非接触的光电方法对曲面的三维形貌进行快速测量已成为大趋势。这种非接触式测量不仅避免了接触测量中需要对测头半径加以补偿所带来的麻烦，而且可以实现对各类表面进行高速三维扫描。 目前，非接触式三维扫描仪很多，根据传感方法不同，常用的有基于激光扫描测量、结构光扫描测量和工业CT与核磁共振的。其中以综合性能较高结构光面扫描三维测量最为常用，也是目前市场上的主流产品。 采用非接触式三维扫描仪因其接触性，对物体表面不会有损伤，同时相比接触式的具有速度快，容易操作等特征，三维激光扫描仪可以达到5000－10000点/秒的速度，而光栅面扫描三维扫描仪则采用面结构光，一次可投影上百条条纹，速度更是达到几秒钟百万个测量点，应用于实时扫描，工业检测等时具有很大的优势。
三维激光扫描仪使用说明
三维激光扫描仪使用说明 1、三维激光扫描原理 Trimble GX200三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台，数据处理平台及电源和其它附件设备共同构成，是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段。地面三维激光扫描系统的工作原理：首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号，经过旋转棱镜，射向目标，然后通过探测器，接收反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息，经过软件处理实现实体建模输出。 2、三维激光扫描工作流程 应用三维激光测量技术采集数据的工作过程大致可以分为计划制定、外业数据采集和内业数据处理三部分。在具体工作展开之前首先需要制定详细的工作计划，做一些准备工作，主要包括：根据扫描对象的不同和精度的具体要求设计一条合适的扫描路线、确定恰当的采样密度、大致确定扫描仪至扫描物体的距离、设站数、大致的设站位置等等；外业工作主要是采集数据：主要包括数据采集、现场分析采集到的数据是否大致符合要求、进行初步的质量分析和控制等等；内业数据处理是最重要也是工作量最大的一环，主要包括：外业采集到的激光扫描原始数据的显示，数据的规则格网化，数据滤波、分类、分割，数据的压缩，图像处理，模式识别等等。 3、三维激光扫描仪用途 目前Trimble GX200三维激光扫描仪的主要用途为工程测量、地形测景、虚拟现实和模拟可视化、矿区土方开挖断面和体积测量、工业制造、变形测量、加工检测、施工控测、事故调查、历史古迹的调查与恢复，以及特殊动画效果的测量等。 4、本校对三维激光扫描仪主要用途说明 本校对Trimble GX200三维激光扫描的主要用途有如下三个方面： （1）本科生可以运用三维激光扫描仪进行相关的教学实验，用于建立简单的建筑物模型，了解外业操作和内业数据处理的基本方法，使自己掌握先进的测量仪器，拓宽自己知识面，为以后进一步的研究打下基础。 （2）硕士研究生可以结合本专业情况运用三维激光扫描仪进行各种实验项目，例如可以在变形监测方面运用仪器进行相关实验，获得测量数据进行相关的后续研究。 （3）博士研究生可以更深入对三维激光扫描系统进行理论研究。例如三维激光扫描仪工作原理的研究，相关数据处理软件的研究和开发，三维激光测量系统理论方法的研究等。
地面三维激光扫描测量技术及其应用分析
地面三维激光扫描测量技术及其应用分析 宋宏1，2 (1.武汉大学测绘学院 武汉 430079；2.中煤航测遥感局 西安 710054) 摘 要：三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。目前许多发达国家已将这一先进技术用于空对地观测及工业测量系统，快速获取特定目标的主体模型，我国在863计划中也重点支持了这一研究方向。本文论述地面三维激光扫描技术的原理分类和应用现状，比较了相关技术方法之异同，评价了地面扫描仪优缺点，指出该技术面临的诸多挑战。 关键词：三维激光扫描技术 LIDAR激光雷达 地面激光扫描仪 近景摄影测量 三维建模 1 引言 激光扫描系统平台分为机载和地面两大类型。地面三维激光扫描系统，与激光测距技术点对点的距离测量不同，激光扫描技术的发展为人们在空间信息获取方面提供了全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动获取批量数据，提高了量测的精度与速度。 2 地面三维激光扫描技术的基本原理，仪器技术指标和分类 2.1 三维激光扫描仪测量原理 径向三维激光扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型三维坐标测量仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体表面的阵列式几何图形的三维数据。仪器要包括激光测距系统、扫描系统和支架系统，同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。典型的径向三维激光扫描仪有很多，如Optech ILRIS-36D、Leica HDS 3000、Mensi GX RD 200+等。 目前三维激光扫描仪主要采用TOF脉冲测距法(Time of Flight)，是一种高速激光测时测距技术，采用脉冲测距法的三维激光点坐标计算方法，如式（1）所示。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。由此可得三维光脚点P 坐标(X s，Ys，Zs)的计算公式： 图1三维激光扫描系统工作原理 图2 采用脉冲测距法的三维激光点坐标 2.2 地面扫描仪技术指标 1) 典型的地面三维激光扫描仪毫米级精度仪器见表1。 表1：中远距离的毫米级仪器装备主要技术指标 生产厂家 Optech Leica Mensi 产品 ILRIS-36D HDS3000 GX RD200+ 激光安全性 Class 1 1500nm Class 3 Class 3 532nm 距离精度 7mm@100m 单点4mm@50 单点7mm@100m 定位精度 8mm@100m 6mm@50 单点12mm@100m
三维扫描仪使用说明
三维扫描仪操作指导书 工程训练中心
工程综合训练部 前言 近年来，随着制造技术的飞速发展，一种新的制造概念改变了以前传统制造业的工艺过程。这种新的制造思路是：首先对现有的产品模型进行实测，获得物体的三维轮廓数据信息，再进行数据重构，建立其CAD数据模型。设计人员可在CAD模型上再进行改进和创新设计，最后获得的数据可直接输入到快速成型系统或者形成加工代码输入到数控加工中心，生成新的产品或其模具，最后通过实验验证，产品定型后再投入批量生产。这一过程就被称为反求工程，它使产品的设计开发的周期大为缩短，其整个过程可用下图描述。
反求工程系统可分为三部分：即数据的获取与处理系统；数据文件自动生成系统；自动加工成型系统。其中物体三维轮廓数据的准确获取是整个反求工程的关键所在。 我们将要介绍的三维扫描仪就是用于物体三维轮廓数据的获取，它具有精度高，速度快，对工件无磨损，无接触变形，易装夹，易操作等优点，可广泛应用于汽车、电子通讯、玩具、制造行业。
第一章系统简介 X H A3D三维扫描系统特点 XHA3D三维扫描系统采用世界领先的光栅式照相技术，在短时间内获取物体表面三维数据，广泛应用于模具设计、逆向工程、质量检测和控制、医学测量等领域， 产品主要具有以下特点： 扫描速度与精度的完美结合 单面扫描时间少于10 秒；采用全自动拼接技术，拼接精度可达0.04mm/m。 非接触式扫描 采用非接触光栅式照相扫描技术，避免了因扫描头磨损而影响精度，具有很高的稳定性。适用于橡胶类、皮革类等表面易变形物体扫描。 操作简便 操作界面简洁明了，初学者易上手，短时间内可熟练操作。 采用安全的结构光光源 ZRET 系列三维扫描仪采用安全的结构光光源，对人体无伤害，对环境要求不敏感，不需要在暗室中操作。 全自动拼接 运用标志点拼接技术，扫描过程中不用人为干预，对大型物体多次拍摄，对复杂物体多角度扫描，可得到完整、精确的三维点云数据。 精细拼接 采用独特的ICP(Iterative Closest Point)技术，将扫描所得数据的公共部分中所
三维激光扫描系统
三维激光扫描系统 1.概述 三维光纤激光切割机是由专用光纤激光切割头、高精度电容式跟踪系统、光纤激光器以及工业机器人系统组成，对不同厚度的金属板材进行多角度、多方位柔性切割的先进设备。三维机器人激光切割机设备广泛应用于金属加工、机械制造及汽车零部件制造等对3D工件有加工需求的生产中。 2.三维光纤激光切割机器人 (1)三维激光切割原理激光通过激光器产生后，由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品(表面)受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的熔化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工目的。 (2)光纤的选择根据金属板材的厚度不同，选用不同的光纤激光器功率，三维切割光纤激光器的功率一般分200W、300W、400W、500W与1000W等多种规格;对不同功率的激光器配备不同的冷却系统，以保障激光器的正常工作。同时要根据机械臂的工作半径和加工工件的大小选定合适长度的操作光纤传输激光，以满足客户切割要求。 (3)辅助气体的要求三维光纤激光切割机采用的辅助气体是99.99%的氧气，这样对切割的精度、速度和切割的断面效果有很大的帮助。 耗电耗材： 系统耗电：<8KW(根据选配激光器功率大小而异) 零星耗材：<0.5元/小时(包括高功率激光器水冷系统的滤芯、切割头气嘴和切割头保护镜片) 吹气费用：<6元/小时(以用纯氧辅助切割2MM内碳钢为例) 性能指标: 激光功率:200W/300W/400W/500W/1000(根据工件材质和料厚可选) 激光波长:1070NM 工作区域:半径2米的半球形工作区域(选配半径2米的机械手) 切割速度:0-15米/分钟(根据功率大小和工件材质与厚度可调) 供电电源:三相交流380V 用电功率: <8KW(根据选配激光器功率大小而定) 冷却方式:风冷/水冷(根据选配激光器功率大小而定) 切割头焦距：5-7英寸(根据工件厚度可选)
(完整word版)三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用
三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用 三维信息获取技术,也称为三维数字化技术。它研究如何获取物体表面空间坐标,得到物体三维数字化模型的方法。这一技术广泛应用于国民经济和社会生活的许多领域,如在自动化测控系统中,可以测微小、巨大、不规则等常规方法难以测量物体。 随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。20世纪90年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。
使用国产地面激光扫描仪扫描的输电线三维模型 三维激光扫描测量技术的特点 三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前，生产三维激光扫描仪的公司有很多，它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描仪产品。
三维激光扫描技术
三维激光扫描技术 三维激光扫描技术 三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，作为20 世纪90 年代中期开始出现的一项高新技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命，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物体表面各个点的(x.y.z)坐标、反射率、(R.G.B)颜色等信息，由这些大量、密集的点信息可快速复建出1:1的真彩色三维点云模型，为后续的业处理、数据分析等工作提供准确依据。具有快速性，效益高、不接触性、穿透性、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化、实时性强等特点，很好的解决了目前空间信息技术发展实时性与准确性的颈瓶。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型，主要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，大量的空间点位信息。是快速建立物体的三维影像模型的一种全新的技术手段。三维激光扫描技术使工程大数据的应用在众多行业成为可能。如工业测量的逆向工程、对比检测；建筑工程中的竣工验收、改扩建设计；测量工程中的位移监测、地形测绘；考古项目中的数据存档与修复工程等等。 三维激光扫描原理 三维激光扫描仪利用激光测距的原理，通过高速测量记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。 三维激光扫描技术引入建筑工程的意义 随着三维扫描技术的发展与成熟，它很快成为空间数据获取的一种重要技术手段，并在很多行业引起技术性变革的热潮。目前，国建筑行业处于变革的阶段，BIM在我们从事的行业中引爆，但是都处于一种建模，碰撞分析，检测等方面，但都没有深入衔接现实，忽略施工工地数据流与建筑信息模型间的流通转化，何谈运维，所以bim模型去哪了？并没有贯穿到bim 的全生命周期中去。三维激光扫描技术在BIM中的应用是最基础的一个重要环节，对现场实际数据的采
三维激光扫描技术
激光扫描仪是借着扫描技术来测量工件的尺寸及形状等工作的一种仪器，激光扫瞄仪必须采用一个稳定度及精度良好的旋转马达，当光束打 ( 射) 到由马达所带动的多面棱规反射而形成扫瞄光束。由于多面棱规位于扫瞄透镜的前焦面上，并均匀旋转使激光束对反射镜而言，其入射角相对地连续性改变，因而反射角也作连续性改变，经由扫瞄透镜的作用，形成一平行且连续由上而下的扫瞄线。 由于扫瞄法系以时间为计算基准，故又称为时间法。它是一种十分准确、快速且操作简单的仪器，且可装置于生产在线，形成边生产边检验的仪器。激光扫瞄仪的基本结构包含有激光光源及扫瞄器、受光感 ( 检) 测器、控制单元等部分。激光光源为密闭式，较不易受环境的影响，且容易形成光束，目前常采用低功率的可见光激光，如氦氖激光、半导体激光等，而扫瞄器为旋转多面棱规或双面镜，当光束射入扫瞄器后，即快速转动使激光光反射成一个扫瞄光束。光束扫瞄全程中，若有工件即挡住光线，因此可以测知直径大小。测量前，必须先用两支已知尺寸的量规作校正，然后所有测量尺寸若介于此两量规间，可以经电子信号处理后，即可得到待测尺寸。因此，又称为激光测规。 激光扫瞄仪在工业生产在线检测产品时，利用这种非接触式而不需停机，甚至设有自动警报及回馈控制等功能。测量范围从0.25 mm~457 mm之间，精度可达。 激光扫描的原理是什么？ 原理比较简单，事实上和全息照片有着相同的原理，首先，需要将激光分成两束，一束光照射物件，一束直接照到底片上，使感光原件感光。从这是利用了从物体后部反射的激光束与物体前部反射的激光束所走过的距离不同，因此与直接照射的参考光束所形成的干涉条纹不同，而三维型激光扫描仪则记录了全部的条纹，也就记下了物体的立体形象，只要再用激光去照射全息图片，就可以显出物体的真面目。观看这样的图片时，只要改变观察的角度，就可以看到被前面物体挡住的部分，而且从这机关报照片中任意剪下一小块，都可从它看到物体的全貌，只是观察的窗口较窄，就好比从钥匙口看室内的情况一样。 三维激光扫描仪测控技术及回波信号处理方法的研究 近些年来，随着数字化技术的迅速发展，各种不同领域对于获取原始数据信息的需求也日益增多。其它相关技术如计算机、机械制造等的进步和发展，使人们获取信息的方法和技术变得多种多样。三维激光扫描技术是其中一种利用激光脉冲对物体表面进行扫描从而获取其表面特征信息的技术，它适用于中近距离的宽场景、大物体的快速高精度扫描，为建立场景的三维模型提供了必要而且准确的工具。通过与计算机的连接，三维激光扫描的后处理技术可以使扫描结果得到更为广泛的应用。本文对三维激光扫描仪的测控系统技术及通过对回波信号进行处理来提高测距精度的方法进行了深入的研究。首先介绍了三维激光扫描的特点以及国内外有关发展趋势、技术特点及难点等，根据系统要求对测控系统步进电机的细分驱
一种基于机器视觉的结构光三维扫描系统
一种基于机器视觉的结构光三维扫描系统 0 引言 随着制造技术的快速发展和制造领域的不断扩大，使得对制造产品的质量要求也越来越高。传统意义上很多对产品的检测方法已经不能适应现代制造业的要求。计算机视觉检测技术具有操作、维护简单，测量速度快，精度高，测量范围广等众多无可比拟的优点，被认为是检测技术领域中最具有发展潜力的技术。机器视觉被称为自动化的眼睛，在国民经济、科学研究及国防建设上都有着广泛的应用。机器视觉不但可以实现无接触观测，还可以长时间保持精度，因此，机器视觉系统可以广泛应用于长时间的、恶劣的环境。 在此探讨了线性结构光三维扫描系统的特点。设计一种能够测量物体深度的结构光三维扫描系统，通过图像处理技术对激光条纹进行提取，并建立数学模型，采用三角法测量方法获取深度信息，对工件图像进行重建。最后，实验结果验证了该系统的有效性。 1 基于机器视觉的结构光三维扫描系统模型结构光测量是将激光器发出的光束经过光学系统形成某种形式的光，包括点、单线、多线、单圆、同心多圆、网格、十字交叉、灰度编码图案、颜色编码图案和随机纹理投影等投向景物，在景物上形成特定的图案，并通过图像处理，对图案进行提取，然后根据三角法进行计算，从而得到景物表面的深度信息。根据投射光图案的种类可分为单点法、单线法和图案法。1．1 系统的硬件结构设计 如图 1 所示，文中所设计的结构光三维扫描系统由3大部分组成，分别 是运动平台、激光器和摄像机。系统的运动平台由导轨丝杠机构成，丝杠上的滑块带动工件左右运动，丝杠由伺服马达驱动。摄像机垂直于导轨运动平面。激光器和摄像机与摄像机呈固定角度安装。激光器所射出的线形光斑垂直于工件的运动方向。激光器与摄像机的相对角度可以调节，调节范围由20~?45。之间。运动平台行程为100 mm,图像分辨率为0. 2 mm/pixel。 1．2 系统的数学模型建立 系统的数学模型如图2所示。工件放置于运动平台上，摄像机垂直安装在运动平台正上方，激光与水平面的夹角B,激光器产生一字的线性结构光， 由于物体表面与运动平台的高度差，条形光斑同时照射在物体上的A处和平台的B处。用摄像机获得光斑的图像，经图像采集卡输入至计算机，经过图像处理，可以测量出点A与点B的距离d,根据三角法公式tan 9 =H/d,可以通过光斑间距d 计算出工件的高度H。因此物坐标和像坐标对应关系为：其中：xg，yg，zg 分别为物坐标；k 为像素一毫米转换系数；xi ，yi 分别为图像坐标。 2 结构光光斑提取的相关理论与方法 从系统的数学模型可知，物体的深度信息H主要受9和d的影响，而9主要表现为系统误差。因此，有必要对条纹间距d进行深入研究，以提高系统的精度。其主要包括：图像增强、图像二值化以及图像细化。 2．1 图像增强图像增强主要增加图像的对比度，突出图像中的高频部分。算法描述为：设原图像的灰度级为x，其最大和最小灰度级分别为xmax和xmin期望图像
三维激光扫描
9.3三维激光扫描仪及其在地形测量中的应用 三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距、和反射强度，自动存储并计算，或得点云数据。最远测量距离可达数千米，最高扫描频率可达每秒几十万，纵向扫描角θ接近90o，横向可绕仪器竖轴进行360o全圆扫描，扫描数据可通过TCP/IP协议自动传输到计算机，外置数码相机拍摄的场景图像可通过USB数据线同时传输到电脑中。点云数据经过计算机处理后，结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。 目前，生产三维激光扫描仪的公司很多，典型的有瑞典的Leica公司、美国的3DDIGITAL公司和Polhemus公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech 公司等。它们各自产品的测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描扫描仪产品。图12-21是几种不同型号的地面三维激光扫描仪。 一、地面三维激光扫描仪测量原理 无论扫描仪的类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜组成。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。地面三维激光扫描仪测量原理图如图12-22所示。 地面三维激光扫描仪测量原理主要分为测距、扫描、测角和定向等4个方面。 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，测距方法主要有脉冲法和相位法。 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。激光发射器向目标发射一束脉冲信号，经目标反射后到达接收系统，
三维激光扫描系统
三维激光扫描系统 适用材料：不锈钢、碳钢、合金钢、硅钢、钛合金等金属材料的三维切割。 应用范围：广泛应用于汽车制造、模具制造、医疗器械、五金、装饰、金属对外加工服务等各种制造行业。 产品结合汽车钣金覆盖件和底盘件的行业特点，采用工业机器人+光纤激光器的组合进行三维切割，耗材耗电总费用控制在每小时20元内。
采用用工业机器人代替五轴机床。工业机器人的重复定位精度比五轴机床稍低，约为±100uM，但完全满足汽车钣金覆盖件和底盘件行业的精度要求。而采用工业机器人大大降低了系统的成本造价，减少了耗电系统费用和系统运行维护费用以及系统的占地面积。 用光纤激光器代替CO2激光器。光纤激光技术是近几年高速发展的激光技术，相比传统激光，具有更好的切割质量，更低的系统造价，更长的使用寿命和更低的维护费用，更低的耗电。光纤激光器的激光可以通过光纤传输，方便与工业机器连接，实现柔性加工。 耗电耗材： 系统耗电：<8KW(根据选配激光器功率大小而异) 零星耗材：<0.5元/小时(包括高功率激光器水冷系统的滤芯、切割头气嘴和切割头保护镜片) 吹气费用：<6元/小时(以用纯氧辅助切割2MM内碳钢为例) 性能指标: 激光功率:200W/300W/400W/500W/1000(根据工件材质和料厚可选) 激光波长:1070NM 工作区域:半径2米的半球形工作区域(选配半径2米的机械手) 切割速度:0-15米/分钟(根据功率大小和工件材质与厚度可调) 供电电源:三相交流380V 用电功率: <8KW(根据选配激光器功率大小而定) 冷却方式:风冷/水冷(根据选配激光器功率大小而定) 切割头焦距：5-7英寸(根据工件厚度可选) 机械手重复定位精度：±0.1MM 机械手保护等级：IP65 系统使用寿命：十万小时 系统保修:2年 系统选型： 1. 根据工件大小选配不同臂长的机械手。在置顶安装的情况下，机械手为半球面的工作区域，考虑到用户的实际加工情况和后期产品升级空间，建议采用臂长 2.01米的机械手，可达直径3米的半球形加工区域。