基于激光扫描的3d成像技术研究【字数：12098】
摘 要目前市场上的用于3D扫描的设备价格普遍较高，操作起来比较繁琐等问题。为了解决这一问题，也为了方便生活中完成一个相对简单的3D模型，从而设计一个简单易操作的3D扫描系统显得很有意义。本文首先对激光扫描三维重建技术的含义、当前的研究现状以及进行此课题研究的意义进行相关的介绍；并且对当前的三维重建中所需的摄像机标定技术进行了简单介绍。本课题主要是利用一个坐标盘对围绕物体的四个摄像头进行标定，每一个摄像头配备一个线激光源，从上到下用四个激光源来同时扫描被测物体四周，同时用摄像机拍摄扫描的过程，最后通过对搭建的四个摄像机拍摄得到的视频进行图像文件转换，对视频中的激光线的数据进行提取，然后将摄像头拍摄到的激光线的数据合成到一起，最终生成被测物对应的3D图像。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景概述 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 国内外的研究现状 2
1.4 系统描述 3
1.5 本论文的结构安排 4
第二章 相机的标定 5
2.1 相机标定的目的和意义 5
2.2 摄像机的几何模型 5
2.3 常见的标定的方法 6
2.4 此次四个摄像机的标定 7
2.4.1 标定过程 7
2.4.2 标定图上标定点的获取 9
第三章 视频图像处理 11
3.1 视频文件转换为图像文件 11
3.2 图片预处理 11
3.2.1 图像的平滑处理 12
3.2.2 RGB阈值分割 12
3.2.3 噪声滤除 14
第四章 激光线数据处理 16
4.1 坐标转换 16
4.2 激光点数据的获取与融合 17
4.2.1 激光点的数据获取 17
4.2.2 激光点的数据融合 18
4.3 3D图像生成 20
总结 23
参考文献 24
致谢 25
绪论
课题研究背景概述
随着科技地不断发展，以及人民生活质量不断提高，不管在科技领域 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
，工业领域，还是在生活领域当中，3D成像技术都在充当着重要的角色。在工业领域当中，人们可以通过对产品的零部件进行3D的仿制，而且可以用来对产品进行合格检测；在医学领域，可以通过对人体器官进行三维重建，从而可以实现对病人进行最精确安全的医学治疗；在人们的日常生活中，3D成像可以用于影视作品的制作，甚至包括客户在商场中实现的衣物的模拟穿戴等。总之在生活的各个领域当中，3D重建都具有一定的应用[1]。激光早在20世纪60年代就已经出现了，并且在很短的时间内就快速地被运用到社会中的诸多领域。当然在3D成像的领域当中也有所涉猎，目前市场中主流的基于激光扫描在三维成像领域的应用，是指利用一个三维的激光扫描仪对被测物体的表面的三维数据进行获取，然后根据获取到的数据进行加工，计算的相关处理，最后将处理后的数据用于对三维成像的后续处理。
基于激光三维扫描的3D成像系统与传统的获取图像三维数据的方法相比，通过激光扫描技术可以在更短的时间内获取到后期用来实现3D模型所需要的三维数据，且其系统的采样速率高，并且应用空间更广，在一些人工无法进入或者存在危险的场景中，采用激光扫描这种无接触的测量方式优势就可以体现出来，可以减少不必要的资源浪费以及人员伤亡发生。
课题研究的意义
本文对基于激光扫描的3D成像技术进行研究。3D成像技术在生活各个领域当中都有所涉及。但是，目前市场中的激光扫描的成像系统主要还是应用于商业领域，其功能虽然日益地完善，但是成本价格也是越来越高。对于小企业或者日常生活当中要实现简单的三维重建来说，实现的代价太大。因此，研究设计可替代的成本低的激光扫描成像系统方案具有重要的意义。本课题是通过对四个摄像头所拍摄到的激光扫描图像进行处理，提取视频中的激光线数据，并且将处理得到的激光线的数据合成到一起，就可以生成对应的3D图像。这个方案采用多相机同时进行数据的采集，其实现的速度更快，比如在考古现场进行数据采集实现三维重建，可以在最短时间内获取数据，进而减少由于时间过长导致的现场破坏导致数据采集的不完整。并且系统搭建较为简单，从而可以实现成本较低的三维图像的生成。
国内外的研究现状
由于当前的三维重建技术在各个领域都有巨大的意义和价值，有一定的市场影响。所以目前很多国内外的专家对三维重建这项技术会注入很大的时间经历来研究。
在早期，传统的对场景或被测物的三维重建，主要是基于图片信息来对被测物进行三维重建，但是此种方法得到的三维信息缺乏真实性，缺少相应的立体感，从而没有真实感，而且处理的速度比较缓慢，所以在对真实感以及立体效果要求较高的应用领域当中不太适合使用。
针对此问题，这几年来基于激光扫描的三维重建技术成为了国内外的研究热点。基于激光扫描的三维重建技术是一种非接触式测量的一种方法，这个方法解决了传统的重建技术的精度低，速度慢的种种问题，所以其适用的范围比较广。
国内对于基于激光扫描的三维重建技术的研究并没有国外研究的那么成熟，起步相比于外国较晚。国内在此方面的研究主要是在大学内和研究所内进行的。清华大学的罗先波等人通过对线结构光的原理的研究，设计了一种可对非静止的物体实现三维重建的传感器，最终实现的重建效果比较好。除此之外，首都师范大学的实验室提出了一种可以完成建筑物单一表面的重建的三维重建技术[3]。
国外在这方面的研究比较成熟，早在1994年的时候，米开朗基罗的一些主要雕塑作品就被M.Levoy带领的小组给实现了三维重建，他们利用了基于三角原理的激光扫描仪、分辨率较高的彩色图像获取相关技术。在1997年，加拿大的NRC一些人将激光仪和CCD照相机装配在一个小车上，从而搭建了一个硬件平台，在之后的一年，他们在这个硬件平台的基础之上实现了三维建模系统[3]。
在此基础之上，研究者为了更加快速获取并且重建更真实的三维模型，以及可以实现大型的实景重建，比如说城市的街道等。在1999年，Zhao等人通过将两台相互垂直的激光仪和一台摄像机共同装配在一辆汽车上，当汽车在街道行驶的过程中，利用激光扫描仪和摄像机扫描拍摄数据，就可以将街区的三维信息以及颜色信息记录下来，从而就可实现街区的三维重建。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景概述 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 国内外的研究现状 2
1.4 系统描述 3
1.5 本论文的结构安排 4
第二章 相机的标定 5
2.1 相机标定的目的和意义 5
2.2 摄像机的几何模型 5
2.3 常见的标定的方法 6
2.4 此次四个摄像机的标定 7
2.4.1 标定过程 7
2.4.2 标定图上标定点的获取 9
第三章 视频图像处理 11
3.1 视频文件转换为图像文件 11
3.2 图片预处理 11
3.2.1 图像的平滑处理 12
3.2.2 RGB阈值分割 12
3.2.3 噪声滤除 14
第四章 激光线数据处理 16
4.1 坐标转换 16
4.2 激光点数据的获取与融合 17
4.2.1 激光点的数据获取 17
4.2.2 激光点的数据融合 18
4.3 3D图像生成 20
总结 23
参考文献 24
致谢 25
绪论
课题研究背景概述
随着科技地不断发展，以及人民生活质量不断提高，不管在科技领域 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
，工业领域，还是在生活领域当中，3D成像技术都在充当着重要的角色。在工业领域当中，人们可以通过对产品的零部件进行3D的仿制，而且可以用来对产品进行合格检测；在医学领域，可以通过对人体器官进行三维重建，从而可以实现对病人进行最精确安全的医学治疗；在人们的日常生活中，3D成像可以用于影视作品的制作，甚至包括客户在商场中实现的衣物的模拟穿戴等。总之在生活的各个领域当中，3D重建都具有一定的应用[1]。激光早在20世纪60年代就已经出现了，并且在很短的时间内就快速地被运用到社会中的诸多领域。当然在3D成像的领域当中也有所涉猎，目前市场中主流的基于激光扫描在三维成像领域的应用，是指利用一个三维的激光扫描仪对被测物体的表面的三维数据进行获取，然后根据获取到的数据进行加工，计算的相关处理，最后将处理后的数据用于对三维成像的后续处理。
基于激光三维扫描的3D成像系统与传统的获取图像三维数据的方法相比，通过激光扫描技术可以在更短的时间内获取到后期用来实现3D模型所需要的三维数据，且其系统的采样速率高，并且应用空间更广，在一些人工无法进入或者存在危险的场景中，采用激光扫描这种无接触的测量方式优势就可以体现出来，可以减少不必要的资源浪费以及人员伤亡发生。
课题研究的意义
本文对基于激光扫描的3D成像技术进行研究。3D成像技术在生活各个领域当中都有所涉及。但是，目前市场中的激光扫描的成像系统主要还是应用于商业领域，其功能虽然日益地完善，但是成本价格也是越来越高。对于小企业或者日常生活当中要实现简单的三维重建来说，实现的代价太大。因此，研究设计可替代的成本低的激光扫描成像系统方案具有重要的意义。本课题是通过对四个摄像头所拍摄到的激光扫描图像进行处理，提取视频中的激光线数据，并且将处理得到的激光线的数据合成到一起，就可以生成对应的3D图像。这个方案采用多相机同时进行数据的采集，其实现的速度更快，比如在考古现场进行数据采集实现三维重建，可以在最短时间内获取数据，进而减少由于时间过长导致的现场破坏导致数据采集的不完整。并且系统搭建较为简单，从而可以实现成本较低的三维图像的生成。
国内外的研究现状
由于当前的三维重建技术在各个领域都有巨大的意义和价值，有一定的市场影响。所以目前很多国内外的专家对三维重建这项技术会注入很大的时间经历来研究。
在早期，传统的对场景或被测物的三维重建，主要是基于图片信息来对被测物进行三维重建，但是此种方法得到的三维信息缺乏真实性，缺少相应的立体感，从而没有真实感，而且处理的速度比较缓慢，所以在对真实感以及立体效果要求较高的应用领域当中不太适合使用。
针对此问题，这几年来基于激光扫描的三维重建技术成为了国内外的研究热点。基于激光扫描的三维重建技术是一种非接触式测量的一种方法，这个方法解决了传统的重建技术的精度低，速度慢的种种问题，所以其适用的范围比较广。
国内对于基于激光扫描的三维重建技术的研究并没有国外研究的那么成熟，起步相比于外国较晚。国内在此方面的研究主要是在大学内和研究所内进行的。清华大学的罗先波等人通过对线结构光的原理的研究，设计了一种可对非静止的物体实现三维重建的传感器，最终实现的重建效果比较好。除此之外，首都师范大学的实验室提出了一种可以完成建筑物单一表面的重建的三维重建技术[3]。
国外在这方面的研究比较成熟，早在1994年的时候，米开朗基罗的一些主要雕塑作品就被M.Levoy带领的小组给实现了三维重建，他们利用了基于三角原理的激光扫描仪、分辨率较高的彩色图像获取相关技术。在1997年，加拿大的NRC一些人将激光仪和CCD照相机装配在一个小车上，从而搭建了一个硬件平台，在之后的一年，他们在这个硬件平台的基础之上实现了三维建模系统[3]。
在此基础之上，研究者为了更加快速获取并且重建更真实的三维模型，以及可以实现大型的实景重建，比如说城市的街道等。在1999年，Zhao等人通过将两台相互垂直的激光仪和一台摄像机共同装配在一辆汽车上，当汽车在街道行驶的过程中，利用激光扫描仪和摄像机扫描拍摄数据，就可以将街区的三维信息以及颜色信息记录下来，从而就可实现街区的三维重建。
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