三維數(shù)據(jù)采集

對于大型物體或場景來說，單站掃描無法獲取完整的點云數(shù)據(jù)，需要多次設(shè)站掃描并將各測站數(shù)據(jù)拼接到一起才能實現(xiàn)。根據(jù)點云數(shù)據(jù)拼接方式不同，數(shù)據(jù)采集方法可分為標(biāo)靶法、后視定向法和基于點云自動拼接的數(shù)據(jù)采集法3種。

三維數(shù)據(jù)采集標(biāo)靶法

在待測物體四周擺放標(biāo)靶作為各測站點云數(shù)據(jù)拼接的公共參考點，對待測物體掃描結(jié)束后，人工選擇四周通視的標(biāo)靶進行精掃，獲取標(biāo)靶中心的精確坐標(biāo)，利用相鄰測站3個及以上的公共標(biāo)靶計算坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣，將各測站點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到選定的基準(zhǔn)測站上，從而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)拼接。實際作業(yè)中，為了保證點云數(shù)據(jù)的拼接質(zhì)量，每站之間需有4個以上的公共標(biāo)靶數(shù)據(jù)。

標(biāo)靶法在相鄰兩測站之間可以取得較高的拼接精度，但隨著測站傳遞，拼接誤差會隨之積累。當(dāng)被測物體較大或較復(fù)雜時，需要擺放較多標(biāo)靶，這就要求四周有良好的通視條件，若不滿足則只能重新調(diào)整測站位置。這不僅降低了作業(yè)的靈活性，也會影響點云數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。因此標(biāo)靶法一般用于小型獨立物體或局部結(jié)構(gòu)的掃描工程。

三維數(shù)據(jù)采集后視定向法

后視定向法類似于全站儀的測量模式，即在己知控制點上架設(shè)儀器掃描待測物體，然后對另一控制點上的標(biāo)靶進行精掃，獲得儀器與標(biāo)靶的相對坐標(biāo)，這樣返回到掃描儀的單點坐標(biāo)就如同全站儀碎步測量一樣。因此掃描點云數(shù)據(jù)就具有與控制點相同的坐標(biāo)系，各測站點云數(shù)據(jù)即被統(tǒng)一到控制點坐標(biāo)系中。將掃描得到的所有點云數(shù)據(jù)利用專業(yè)軟件打開并顯示，各測站點云將自動拼接到一起，通過合并形成整體點云數(shù)據(jù)。

后視定向法需事先進行控制點測量，控制點精度會直接影響掃描點云數(shù)據(jù)精度，當(dāng)對掃描精度要求較高時，就會大大增加控制測量成本。在掃描時，首先要對中整平儀器和標(biāo)靶，再量取儀器高和標(biāo)靶中心高。這可以大大降低作業(yè)效率，但同時也會引入對中和量高的人為誤差。

后視定向法的優(yōu)點在于可通過控制點拼接點云，相鄰測站間互相獨立、互不影響，對通視條件沒有太大要求，也不需要相鄰測站間有較高重疊度。這樣可以減少冗余數(shù)據(jù)采集，提高作業(yè)效率，減小數(shù)據(jù)量，進而便于后期數(shù)據(jù)處理。因此，后視定向法常用于線狀物體測量、大而積地形測量項目。

三維數(shù)據(jù)采集基于點云自動拼接的數(shù)據(jù)采集方法

基于點云自動拼接的數(shù)據(jù)采集方法是通過測站間重疊區(qū)域點云計算坐標(biāo)變換參數(shù)R(旋轉(zhuǎn)矩陣)和t(平移矩陣)將各測站點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個全局坐標(biāo)系下完成點云拼接的方法。國內(nèi)外最常用的點云自動拼接技術(shù)是迭代最近點(Iterative Closest Point,ICP)算法。該算法根據(jù)歐式距離最小原則尋找兩點云間的對應(yīng)點，然后計算坐標(biāo)變換參數(shù)R和t，對點云坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換，通過迭代運算不斷優(yōu)化坐標(biāo)變換參數(shù)R和t，最終獲得最優(yōu)解，從而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)的方法。

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，只要保證測站間的掃描數(shù)據(jù)有足夠重疊區(qū)域，掃描時即可自由設(shè)站。該方法外業(yè)作業(yè)靈活，適用于多種工程項目的數(shù)據(jù)采集。

(1)獲取的信息量大。由于尺寸的獲取是通過解算相片得到的，因此理論上只要是相片上看得到的物體，就可以恢復(fù)出它的三維原貌。由于采用高分辨率和大視場的專用測量CCD相機，一次成相范圍大，故每相對所包含的數(shù)據(jù)信息多。此外，由于是采用相片測量，還可以通過相片獲得物體的顏色、狀態(tài)、紋理等信息，這是傳統(tǒng)方法不能相比的。

(2)現(xiàn)場工作時間短，干擾現(xiàn)場程度小。由于尺寸的測量是通過相片得到的，因此不需要在現(xiàn)場花費太多的時間，在現(xiàn)場所要做的工作僅僅是拍照。每套系統(tǒng)每天可獲取幾千平方米的工廠尺寸數(shù)據(jù)的圖片信息。此外，系統(tǒng)設(shè)計成便攜式，可以一人手持工作，可以因時因地工作，故無論是系統(tǒng)對現(xiàn)場工作的影響，還是現(xiàn)場對系統(tǒng)工作的制約都很少。

(3)可以現(xiàn)場量測和離現(xiàn)量測、再量測。當(dāng)獲得相片后，可以及時輸入計算機，用相應(yīng)的軟件測量出所需要的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)然本系統(tǒng)的最大好處在于可以離現(xiàn)量測，可以讓大量的工作在事后用計算機完成。當(dāng)提交數(shù)據(jù)后，若對某些尺寸有懷疑，可以在相應(yīng)的相片上再次測量，而無須再到現(xiàn)場。這在處理某些瞬時場景的工作上具有特別的意義。

(4 )獲取的尺寸精度高。由于采用了相當(dāng)成熟的立體攝影測量技術(shù)，配合計算機解析測圖技術(shù)和選取專業(yè)的高分辨率的測量相機，因此所獲取的尺寸精度高。

該系統(tǒng)多應(yīng)用于數(shù)字城市、航空領(lǐng)域等，用于制造業(yè)領(lǐng)域較少，因此要針對制造業(yè)特點進行改進。從采集模式上，可通過尺寸的重新設(shè)計找到最適合車間環(huán)境的設(shè)備尺寸，以滿足測量環(huán)境改變的需要。從數(shù)據(jù)處理上，可通過繼續(xù)升級數(shù)據(jù)測量處理軟件來提高數(shù)據(jù)處理的效率。通過這兩項的改進，可極大提高數(shù)據(jù)采集的效率，使本系統(tǒng)比傳統(tǒng)方式占據(jù)更大的優(yōu)勢。 2100433B

隨著航空、航天技術(shù)和計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，攝影測量設(shè)備成本大幅度降低，數(shù)字?jǐn)z影測量已經(jīng)成為大規(guī)模、大區(qū)域測量的主要手段，經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)處理之后能夠提供豐富的地理空問信息資料。該技術(shù)己被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個行業(yè)，在國民經(jīng)濟的建設(shè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

建立三維導(dǎo)覽系統(tǒng)是企業(yè)信息化的重要環(huán)節(jié)，而車間三維模型數(shù)據(jù)測量采集與制作是整個三維導(dǎo)覽系統(tǒng)構(gòu)建過程中的一部分，是三維導(dǎo)覽系統(tǒng)研發(fā)運行的基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的人工方式在采集數(shù)據(jù)時，存在如下問題：

(1)效率低下，耗時費力；

(2)精度不高，難以滿足生產(chǎn)管理的需要；

(3)得到的數(shù)據(jù)管理組織困難；

(4)數(shù)據(jù)兼容性差，造成數(shù)據(jù)利用率低下。

針對企業(yè)在三維建模過程中存在的問題，通過三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)采集生產(chǎn)車問的影像數(shù)據(jù)，該技術(shù)效率高，人工少，尺寸精確。基于采集得到的尺寸數(shù)據(jù)進行模型的制作研究，建立真三維模型，進而構(gòu)建三維數(shù)據(jù)庫，能在三維導(dǎo)覽系統(tǒng)框架平臺卜與其他數(shù)據(jù)集成，為工廠產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)加工、精細(xì)化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

基于三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)研發(fā)的采集系統(tǒng)包括采集工具及圖像測量軟件。該系統(tǒng)采用CCD傳感器作為信息獲取工具獲取真實場景的圖片信息，然后采用近景攝影測量原理獲取三維空問中的信息(如點的坐標(biāo)、兩點之間的距離以及點到直線的距離等)。