基于激光扫描数据点集的三维重建算法分析.docx

第 1 章绪论
研究背景
长久以来,人类生活的环境是立体真实的,我们所接触的事物都是三维的。因此,在计算机图形学、计算机视觉以及机器人学等领域中,把客观的事物在计算机上进行三维重建一直是主要研究内容之一。在现代技术高速发展的条件下,激光扫描技术有了突飞猛进的发展,并广泛的被商业领域所应用,通过激光扫描技术可以得到的真实场景的高精度三维数据,利用这些得到的数据进行真实事物的三维重建得到了普遍关注。三维激光扫描系统,主要是由三维激光扫描仪和系统软件组成, 它能快速、准确地获取物体空间三维坐标,用来建立三维立体模型,以便对模型进行进一步的数据处理分析和应用。在利用计算机对客观事物进行分析和研究时,无论是实际的或是抽象的对象都需要建立相应的模型来表示,这个过程被称为建模。模型用来描述对象的结构、属性、变化规律以及各个组成部分之间的关系,它是客观事物的抽象表示。三维表面重建就是根据输入的三维数据,经过分割和提取后, 构建我们想要的三维几何表达。三维表面模型一般是用图元(如三角形)来逼近表示的,封闭的表面经过三维建模以后构成多面体,也称之为多面体模型。
由于受到设备及技术水平的限制,传统的无论是二维或三维场景重建大多数是基于图片信息的[1]。这种三维重建技术直接利用一组图片作为输入,通过合成新的视点图像来建立整个三维场景图,这种方法有效的回避了真实场景的几何复杂性, 但是在几何准确性和三维信息的完整性上存在着严重缺陷,仅仅适用于虚拟漫游领域。激光扫描技术的快速发展以及准确的激光测距仪成本的逐渐降低,使得基于激光扫描数据的三维场景重建技术成为可能。基于数据的三维重建相比于之前的基于图片的三维重建除了在结构的准确性得到很大提高以外,在三维信息的完整性上也有很大的优势,得到的三维模型无论是准确性、完整性还是真实度方面都有了大大的提高。基于数据点击的三维场景重建主要由数据获取、数据的预处理、数据配准、数据网格化、真实感渲染等几步完成。虽然这种三维重建技术有很多的优点,也得到了很多的关注,但是在具体技术实现方面也存在不少的问题,还不够成熟。比如说现有的三维重建技术在小规模场景的恢复上做的很好,能够得到很好的显示效果,但对于大规模几何特性复杂的场景的恢复还是达不到很好的效果。这就说明了该技术了普遍适用性太低,另外受其他一些条件的局限性的影响,该技术还存在自动化程度过低的问题。这些问题,都是难点问题,也为未来基于激光扫描数据点集的三维重建技术的研究指明了方向,是以后这方面研究的热点也是必须克服的难
题。
三维重建技术的国内外研究现状
鉴于对三维场景重建技术的研究具有重要的实际意义和理论价值,多年以来, 国内外许多专家和组织对它进行大量的研究,取得了一系列研究成果。
以下是传统的基于图元的三维重建技术的研究成果。
1、20 世纪 90 年代初期提出的著名的 IBMR[2](Image Based Modeling and Rendering)就属于基于图原的三维重建方法。直接输入一组图片,通过合成新的视点图像来重建三维场景,但是由于算法的缺陷,只用于虚拟漫游领域。
2、2001 年 [3]在他的博士论文中提出了从未标定的视频序列自动恢复场景信息的方法。该方法是利用了多视图立体几何原理,根据图片序列信息构建三维场景的。由于需要对图片的信息进行大量处理,该方法运行速度比较慢,受计算机处理时间限制,该方法不适用于复杂的大规模场景,只适用于小型单一建筑物的三维重建。
3、2004 年 [4]等人提出使用手持相机获取的图片来对虚拟三维场景模型进行恢复。
相对于传统的三维重建方法,基于激光扫描数据的三维重建技术由于自身的优越性成了国内外研究热点,通过许多学者的长期研究,取得了大量的研究成果。
1、1994 年,在 的带领下,他的实验小组对著名雕塑家米开朗基罗的雕塑作品进行了三维重建,三维重建中用到的数据利用激光扫描仪得到的,除此之外还在这个基础上提出了一系列的相关理论和改进技术[5-7]。
2、1997 年,加拿大 NRC(National Research Council)的 El-Hakim 等人把照相机和数据激光扫描仪绑定在一个小车上,得到了自己的 DCR(Data Collection and Registration)即数据采集配准系统,构建了应用中所需要的硬件平台[8],1998 年他们在之前构建的硬件平台基础上进行了场景的三维重建实验,实验得到了正确的显示结果,成功的构建了一个室内场景[9]。
3、2001 年,包括 [10]在内的几个人,组成一个小组,他们对大规模的场景进行了三维真实表面重建。与此同时,他们还将场景中的一部分分离出来,对这部分单独的