三维激光扫描技术在曲面展开中的应用

三维激光扫描技术在曲面展开中的应用 N O .3. 2012 2012 年第 3 期敦煌研究 TO TAL 133 ,总第 133 期,DUN HUAN G R ESEAR CH 三维激光扫描技术在曲面展开中的应用 12段奇三 吕文旭 ,1. 北京奇三世界科技有限公司, 北京, 2. 敦煌研究院 考古研究所, 甘肃 敦煌 73620,0 内容摘要,敦煌莫高窟的穹窿形佛龛是在沙砾岩的岩体中掏出来的,然后在佛龛中进行雕塑和 。绘由画于当时的技术不够 发达,佛龛的曲面有大量人为因素的存在,造成不同的地方曲率不 。同为了在平面上显示立体细节,需要将穹隆形佛龛展开在 二维的图纸上,本文提出用断面法解决佛龛展开的问题,在三维点云数据上制作横 、纵断面,绘制平面图,提高了曲面展开为平 面的精度,即提高了平面表达曲面的精度,,为曲面测量提供了新的解决办法。 关键词,三维激光扫描,莫高窟,曲面,应用 中图分类号,P234 文献标识码,A 文章编号,1000-410 6,2012,03- 0113- 03 Application of 3- D Laser Scanning Technology in Unfolding a Cur ved Sur face 1 2DUAN Q isanLU Wenxu ,1. Leica Geosystems Trad(Bee ijing) Co., Ltd; 2. Archaeology Institute, Dunhuang Academy, Dunhuang, Gansu ,736200 Abstr act ,The archedi cnhes of the Mogao Grottoes at Dunhuang fiwrset rech iseled out of gravel rock walls. Then apintings and s culptures were createdin side them. The curvatuore f th e s urface varied in different places becauseo f the mtatons of then current te chnoogy. To dspay ts detas on a surface, the surface of the arched liiililiil niche should be un folded onto a drawing. This paper presents h iagh er- resolution approach to this problem by basing the floor plan and the crosssec tions on point cloud data,wh ich improves the accuracoyf the unfolded surface. Keywor ds,3- D aser scannng; Mogao Grottoes; Curvesdu race; Appcaton liflii (Transated by WANG Pngxan) lii 量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等,,它 是各种正向 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 工具的对称应用工具,即逆向工程 工具。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都 可以通过 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 接口格式转换给各种正向 工 程软件 直接使用。 三维激光扫描仪现在分相位激光 和 脉 冲 激 光 技术两种,其原理是激光测距,并在空 间 形 成 横 向 和纵向的精确测量,计算出被测量点与扫描仪中心 的相对位置,并得出独立坐标,形成点云,可以称其 为多点式的全站仪。扫描 得到的点位数据传入电 脑,形成真三维的点云。脉冲式三维激光扫描仪扫 描距离长,速度 较慢,相位式三维激光 扫 描 仪 扫 描 速度快,距离较短。 2. 三维激光扫描技术的应用领域 三维激光扫描系统可以用来扫描任何物体或实 景,进而实现三维立体信息的采集及数据建模,特别 图 1 敦煌莫高窟的穹隆形佛龛 适于不规则的大型目标及实景。它的应用领域包括 文物、考古、建筑业、航天、航空、船舶、制造、军工、军 4. 三维激光扫描技术在穹隆形佛龛展开中的 事、石化、医学、水利、能源、电力、交通、机械、影视、 流程与办法 教学、科研、汽车、公安等。另外,它所采集的三维激 4. 1 三维激光扫描的外业数据采集光点云数据还可进行各种后处理工作,所以在目标 首先利用三维激光扫描仪在敦煌莫高窟第 275的建模、复制、仿制、修复、翻新、分析、改造、维护、建 窟中进行扫描,扫描仪在空间获取点云 数 据 ,并 将 档及用于任务的模拟、训练、仿真、虚拟现实、推演、 点云数据及时地 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 在电脑中。使用相位激光扫描 试验、 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 、变形分析、CAD、CAM、CMMS、有限元分析、 仪扫描的速度较快,大约每秒采集一百万个点坐标 流体动力分析、逆向工程等方面也都可以找到它的 及纹理信息,形成三维点云影像,如图 2。用途,可以说,该技术的应用只受想象力的约束。 在众多工程应用领域中,三维激光扫描技术也 发挥着它快速、精细、精准、高效的技术优势 ,为工 程的顺利开展和实施提供了便利。 3. 敦煌莫高窟曲面佛龛的简介 敦煌莫高窟的穹隆形佛龛,图 1,是在沙砾岩的 岩体中掏出的,然后在其中进行雕塑和 绘 画 ,由 于 当时的技术不够发达,所以佛龛的曲面有大量人为 因素的存在,造成其在不同的地 方曲率 不 同 ,在 这 图 2 敦煌莫高窟第 275 窟点云影像 不规则的曲面上保存有壁画。现在为了保存、纪录 壁画资料,需将曲面的佛龛展开在平面上,这样成组 4. 2 内业处理 的壁画就能够记录下来。为了保证文物的真实性,所 将几站从不同角度扫描的数据,经过点云的拼 以在曲面展开为平面的过程中需要较高的精度,这 接处理 ,拼接各站的点云数据误差不大于 1 毫米, 样才能为文物保护者提供准确的平面来保存原来的 然后形成一个完整的第 275 窟的三维点云。再通过壁画。图 1 中是敦煌莫高窟第 275 窟南壁第一身菩 点云切割导出局部佛龛的 点 云 数 据 , 在 软 件 Cy- 萨,为了将佛龛内的壁画完全真实地表现出来,敦煌 cl one,徕卡三维激光扫描仪匹配的点云处理软件, 研究院希望将佛龛展开为平面,本 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 将就此曲面 中打开穹隆形佛龛的点云数据,如图版 37。 展开问题进行论述。 科学地利用微积分学展开穹窿形佛龛,就是将 ? 114? 曲面无限微分,生成断面,然后将断面积分,生成穹 Z1- Z2 轴 左 右 展 曲线 ,并测量出曲线的长度 ,按照 隆形佛龛展开图,也就是要将穹窿形佛龛先微分再 开成为直线,图版 41,。那么直线的端点就可以连接 积分。 成为佛龛的外边缘。 首先在佛龛的背后壁面拟合出一个 平 面其工作原理,将曲面无限微分,生成断面,然后,patc h,,然后以这个平面建立其法线,以此法线方 将断面积分,生成穹隆形佛龛展开图。根据经验和 向作为 X轴,或者 Y轴,,Z 轴可以定义为铅锤方向, 甲方的精度要求在生成断面的时候,我们可以设置 那么整个点云的坐标系就建立了。在软件 Cycl one 断面间距为 5cm。 中的正射,Ort hogr aphi c,视角中,这个平面,pat ch, 4. 2. 4 同样的办法沿 L- R 轴在佛龛的上下方向 就平行于屏幕坐标系。 展开。 由于穹隆形佛龛在横 向,垂直于 Z 轴 、平 行 于4. 2. 5 处理 L- R 轴两端点的左侧以及右侧夹角地 面的方向,和纵向,沿 Z 轴方向,均有曲面,所 以 中的弧面,即图版 28 中蓝色圆中的部分。因为我们 展开应该按照横向和纵向展开,那么先定义沿佛龛 分别在 Z1- Z2 轴、L- R 轴做了微分,那么在下图中的 中心的 Z 轴方向为纵向中心线,在横向上定义一条 蓝色 圆中 L- Q1 是公共边,L- Q2 是在上一步中画出 的。如果上面沿 Z1- Z2 轴、L- R 轴做微分,那面 Q1-Q 2 两个端点 L 和 R 标高相同的点,图版 38,。 那么我们所需要的展 开 图 纸 是 在 Z1- Z2 轴 线 之间会小于 10cm,再利用微分也可以将其画出。在 的 左 右 两 侧 展 开 ,以 及 在 L- R 轴 线 的 上 下 两 侧 不到 10cm的曲面上,我们将佛龛的正立面的Q 1-Q 2 展 的弧线展开,误差不大于 1cm,可以用正立面的点云 开,在 L- R 轴线的延伸我们设想一个垂直于电脑屏 导入软件 Mi cr oSt ati on 中,画出其位于 Q1- Q2之 间 幕的面与三维点云模型的相交处形成一个切口,这 的弧线,以 Q2 点为圆心画出 Q1-Q 2,连接 L 和 Q1 样展开图纸最后的切口就定位了,同样的道理可以 ,图版 42,。 穹隆形佛龛展开图的结构图绘制完毕,可以在 定义下面的切口,图版 39,。 实现上面想法的步骤,其上面绘制原有的壁画,测绘人员可以在展开图纸 4. 2.1 在软件 Cycl one 中定义 Z1- Z2 轴、L- R轴,上人为地加几个参考点,为美术人员绘制壁画提供 4. 2. 2 沿 Z1- Z2 轴在点云中生成点云的断面, 参考。 5. 结束语类似生成等 高线,最高标高不应大于 L- R 轴 的 标 三维激光扫描为我们提供了更为 先 进 和 全 面 高,即多条弧状的点云,图版 40,。 4. 2. 3 通过软件 Cl oudWorx 将上面的点云导入 的测量数据,其采集数据效率快、精度高,能够让我 软 件 Mi cr oSt ati on3D 文 件 中 , 并 将 Z1- Z2 轴 、L- R 们真实、及时地保存资料。在如此全面和海量的数 轴分别导入软件 Mi cr oSt ati on 中,要保证点云和 据面前,我们可以科学地结合其 他学科 分 析 ,解 决 很多的问题。 Z1- Z2 轴、L- R 轴位于统一的坐标系,上面建立的坐 标系统,中。在软件 Mi cr oSt ati on 中,切换到 TOP视 角中,在点云的基础上,画出佛龛的不 同 标 高 处 的