室内场景激光点云数据的三维建模

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1、《测绘通报》测绘科学前沿技术研讨会论文集1室内场景激光点云数据的三维建模111刘佳,张爱武,杨丽萍（1.首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京100037）摘要：三维激光扫描技术能够快速精确地获取周围场景的三维几何信息，是近几年迅速发展起来的新型的空间信息采集技术，但是目前对于获取到的激光数据的处理却较为落后，严重制约着扫描设备的广泛应用。本文利用三维激光扫描系统AX-LMS200获取室内场景的空间信息和纹理信息。根据室内场景距离图像含有大量平面和单站点扫描的特点，进行了点云数据预处理

2、、Delaunay三角剖分建模并对模型进行简化，为室内场景三维重建提供了有效方法。关键词：激光扫描；距离图像；Delaunay三角剖分中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：一、引言三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高科技术，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，为空间信息的获取提供了全新的技术手段。但是目前对于采集到的激光数据的处理研究却较为落后，严重制约着扫描设备的广泛应用。其中将获取的点云数据转化为具有几何和拓扑意义模型的三

3、维建模过程是激光数据处理的重要环节。在此领域，国内外研究者提出了多种三维建模的方法。例如：用于工业制造的基于函数拟[1][2]合的三维重建方法,应用于医学上的基于等值面的MC（MachingCube）算法，还有基于距离[3]图像的网格链接方法。这三种建模方法构成的高精度三维细节模型不利于后期的模型绘制、[4]存储、和网络传输。为了对复杂模型进行简化，RossignacandBorrel提出了规则顶点聚类方法，此方法简单、速度快、广泛应用到任意的三角形集合中，但是简化后的模型质量差。Kalvin[5]

4、andTaylor利用区域合并方法简化模型得到了较好质量的结果，但是实现过程过于复杂，而[6]且不利用于后期绘制。Schroeder提出了顶点抽取的网格简化算法，多用于流形表面。由[7][8][9]Hopper，GarlandandHeckbert,LindstromandTurk提出的基于点对的迭代收缩方法是目前常用的方法。基于激光扫描数据的三维重建主要包括四部分：数据获取，数据配准，构建模型和纹理映射。本文利用自主开发的三维激光扫描系统AX-LMS200采集场景的三维空间数据和纹理数据，分别以距

5、离图像和强度图像形式表达。将AX-LMS200扫描系统设置成单个站点连续360度扫描，可以获取到室内完整的三维数据，减少了数据配准环节，降低了建模复杂度。根据室内场景含有大量平面，利用Delaunay三角剖分建模，可以快速得到场景的三维几何模型，便于后期的绘制和渲染。1数据采集11.1几何信息本文自主开发的三维激光扫描系统AX-LMS200，可以360度连续扫描，一秒内采集7256个点的三维坐标，测量距离为80m，精度可达6mm，满足室内外大规模场景三维信息的获取需求。系统主要部件有二维激光扫描仪S

6、ickLMS200、水平旋转的高精度转台和步进电机。通过步进电机控制扫描仪的旋转角度和扫描速度获取场景的三维数据，其中二维激光扫描仪和高精度旋转台同步采样是实现三维激光扫描的关键。系统部件间通讯主要分为两部分：一是激光扫描仪利用Quatech卡转换出的RS_422接口和计算机通信，传输波特率达到500kBaud，避免了由于内部缓存不足引发的数据丢失问题。二是高精度旋转台通过RS_232与计算机通信，传输扫描仪的旋转角度。系统AX-LMS200整体外观如下图1所示。作者简介:刘佳（1984-）,女，山

7、西省临汾市人，硕士研究生，从事三维信息获取与应用、三维激光以及虚拟现实等的研究张爱武（1972-），女,内蒙古人,教授,主要研究领域为三维信息获取与处理、计算机视觉与模式识别、并行计算、虚拟现实等研究图（1）AX-LMS200外观对系统做优化时，我们考虑了三维激光扫描系统中二维激光雷达和旋转台的时钟同步性，使得激光扫描仪在完成一次垂直方向的线扫描时，水平方向上的旋转台正好转过扫描角分辨率的角度，达到最优设置。同时在后期数据解算时引入加速运动补偿，减少了由于转台连续加速减速产生的震动误差和水平定位误差

8、。由于SickLMS200不能记录物体的反射率信息，根据场景不同的深度信息给三维点云数据加入伪彩色，便于分辨立体几何关系。获取的距离图像和伪彩色图像如下图（2）所示：图（2）(a)实验室走廊的距离图像(b)加伪彩色的距离图像1.2纹理信息室内场景的纹理信息由SickLMS200顶部额外配置的罗技Pro5000网络摄像头获取，这款摄像头配置了蔡司镜头，像素可达130万，每秒30帧，采用RightLight技术满足了室内光线不足情况下的拍摄。根据摄像头的视角范围和转台的旋