三维激光建模参考实例
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发布时间：2022-04-23 21:33
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时间：2023-09-15 23:32
4.1.3.1 点云数据处理
每一个岩石的表面都比较复杂，很多岩石景深比较深，导致点云数据不能完全反映出岩石的真实轮廓。所以，每块岩石的整体模型需要很多站的数据拼接起来得到。
1）利用专业软件Faro Scene 进行点云数据的首次处理。首先打开 Faro Scene 软件（图4.21）。点击 【文件】，导入点云数据，Faro Scene软件首先处理的对象是fls格式的文件（图4.22）。
图4.21 Scene 软件初始界面
图4.22 Faro Scene 软件文件操作菜单
2）然后默认弹出一个浏览窗口用来浏览被打开文件的窗口（图4.23）。
图4.23 导入扫描数据视图
3）寻找到我们要打开的文件的所在位置点击点云数据的fls文件打开（图4.24）。
图4.24 选取点云数据文件视图
4）数据文件就导入了Scans软件的工具栏里（图4.25）。
5）点击鼠标右键选择加载点云数据（图4.26）。
图4.25 Scans 软件工具栏视图
图4.26 加载点云数据视图
6）出现数据读取进度界面，等待加载好以后，双击鼠标点击已经加载的点云数据，数据就显示出来了（图4.27、图4.28）。但是它只是一个平面的数据，我们可以发现如果放大和缩小以后周围的点云数据就会变得很松散，并且失去了原来的比例大小（图4.29）。
图4.27 点云数据加载进度视图
图4.28 点云图像
图4.29 放大后的点云图像
其实，这不是软件或者点云图像出问题了，而是视图方式的问题，打开的时候软件呈现的是快速平面视图，数据本身会以设备的所在地为视图原点（图4.30）。
图4.30 点云视图原点图像
7）如果想拖动点云图像随意浏览的话，我们可以点击3D的字样，打开三维浏览视图模式（图4.31）。打开这个命令以后视图会重新加载文件，等待数据加载好后，我们就可以随意地拖动了，仍旧会以扫描仪的中心为轴点（图4.32）。点击鼠标左键进行旋转，点击鼠标滑轮可以对点云数据进行平面拖动。
图4.31 3D 功能视图
图4.32 重新加载后的点云图像
8）点击菜单栏的多边形，在岩石点云图像周围的噪点随意点击鼠标，合并为一圈后双击鼠标左键（图4.33）。
图4.33 多边形选择器视图与处理后的图像
9）拼接成多边形后，点击鼠标右键会弹出3个选项（图4.34）。删除内部选择就是将*覆盖区域内的点云数据删除；删除外部选择就是将未覆盖*的区域删除；移除选择则是放弃此次选区。选择删除外部选择，这样多边形中间所包含的点云数据就被删除掉了。
图4.34 删除图像功能视图
10）在3D视图中，仔细查看留下的岩石点云数据，确保再也没有多余的点云数据（周围会剩余很细小的部分不容易删除，这个不必介意，因为我们后面会进行处理）。
11）点击已经处理完的点云数据（图4.35）。
图4.35 选择处理后的点云图像
12）点击鼠标右键，会弹出一个操作菜单栏，点击操作选项，在操作菜单栏有过滤器选项（图4.36）。过滤器里面会有4个子选项，这4个子选项分别是离群、基于距离、深色扫描点、平滑，都是用来处理点云数据噪点的（图4.37）。根据不同的情况，我们可以选择不同的合适选项，对点云图像进行优化处理，处理前的点云图像见图4.38。
图4.36 选择过滤器菜单
图4.37 选择过滤类型菜单
图4.38 处理前的点云图像
13）仔细检查确认没有多余点后，这块岩石标本的点云就处理完成了，处理后的点云图像见图4.39。
图4.39 处理后的点云图像
14）再找到另一块岩石标本的点云数据，把它加载进来。加载前，我们先将3D视图关闭，视图栏的左上方有Workspace，这个就是3D浏览视图栏，点击关闭（图4.40）。
图4.40 关闭3D 视图界面
15）选择文件中的导入菜单（图4.41）。
图4.41 选择导入菜单
16）在导入选项栏内，点击要导入的岩石标本点云数据文件，点击导入（图4.42）。
图4.42 点云文件导入视图
17）在左边工具栏内，可以发现文件已经导入（图4.43）。
图4.43 显示已导入的加载文件视图
18）点击已经导入的岩石标本点云数据，点击鼠标右键打开选项菜单，点击已加载（图4.44）。
图4.44 选择已加载视图
19）等待载入，载入完成后双击鼠标，然后根据上一块岩石标本点云数据的处理办法，将这块岩石标本点云数据进行处理。每块岩石标本的点云数据量可能会比较大，在我们将每块点云数据都处理完成后，再进行拼接。
4.1.3.2 点云数据拼接
通过点云数据的处理，完成点云数据的优化，现在我们进行拼接。
1）由于点云数据量比较大，所以需要将已经加载的数据卸载掉（再次点击已经打钩的已加载，系统自动对已经加载的点云数据进行卸载），只保留准备拼接的2块点云数据（图4.45）。
图4.45 卸载点云文件菜单
2）这里我们只讲解拼接的第一站和第二站数据。首先点击已经加载的第一站点云数据，按鼠标右键，在视图菜单内选择平面视图（图4.46）。
图4.46 选择平面视图菜单
3）再打开第二站点云数据，进入平面视图。这时候视图栏内只有两个选项：一个是第一站视图；一个是第二站视图。点击平移按钮，进入平面视图。在平面视图内，可以随意地平移和旋转，点击第一站视图、第二站视图进行切换，寻找它们的共同特征点，每两站的点云数据具有公共点和公共面。这提醒我们，当我们用扫描设备进行图像扫描时一定要注意，保证每两站扫描的距离必须保证两站点云数据间的公共数据尽量多，这样后续工作会更加轻松。
4）寻找到比较多的特征点以后，记住它们相互之间的联系和顺序，因为岩石标本的面数多、体积较小，不适合摆放激光扫描时的目标，需要重求和寻找共用平面。我们在这里介绍用Scans软件根据公共点，进行拼接拟合的方法。
5）对公共点和公共曲面进行确认后，点击工具栏内的标记扫描点选项（图4.47）。
图4.47 标记扫描点选项视图
6）在第一站平面视图内标记点（图4.48）。
图4.48 标记点图像
7）每一个标记点必须保证第二站的数据也有这样的点，并且位置必须相同，每标记好一个标记点后，在弹出的点信息对话框中输入点名称。第一站视图和第二站视图之间的名称必须相对应，当第二站视图和第三站视图拼接的时候，它们的点不能和第一站视图、第二站视图之间的名称相重叠，必须要注意。为了标记点的准确性，标记点的时候，应尽量将视图放大，标记点和标记点之间的误差，尽量缩小，每站的标记点不得少于4个，并且4个标记点不得在一条直线和一个平面内（图4.49）。
图4.49 确定标记点视图
8）标记点标记完成后就可以拼接了，可以在所有站点标记完成后拼接，也可以每两站拼接一次，建议每两站拼接一次。因为如果拼错以后，我们可以在第一时间发现拼错的地方。
9）在结构菜单栏内点云数据的正上方点击Scans，按鼠标右键调出工具菜单栏，点击操作选项，在操作选项菜单栏内点击对应。然后选择按手动目标名称强制。这个选项就是按照我们刚才标记点的名称进行强制性拼接。所以，要求我们每站的直接误差应尽量小（图4.50）。
因为用Scans拼接时，是按照Scans目录下所有站点同时进行拼接的。所以拼接时，尽量只加载两站数据，对未标点的点云数据不要进行加载，并且注意标点之间名称的区别，尽量让每一站的标点名称具有特征的标点意义，每次拼接完成后，都要按照上面的方法进行查看（图4.51）。因为我们拼接的岩石标本模型是一个整体，拼接到最后一站时，标本模型已经拼接完整了。但因我们是从第一站视图、第二站视图开始不断叠加的，最后必然会有一个积累误差，也就是说，如果拼了10站的话，每两站之间的误差为1时，那么我们拼接完10站的时候总误差会到达10。可是如果我们再将10和1进行拼接的话，那么我们总的误差就会只有5。因此我们最后一站拼接的时候，必须将第一站的岩石标本点云数据和第十站（最后一站）视图的岩石点云数据进行拼接。
图4.50 选择按手动目标名称强制视图
图4.51 拼接后的点云图像
10）全部拼接完成以后，我们再在Scans里面，点击按手动目标名称强制，打开3D视图，仔细旋转比较并且查看，查看总体拼接完成的岩石标本点云模型是否与实际相匹配。
4.1.3.3 点云模型导出与保存
在确认点云模型拼接没有差错之后，我们再将点云模型保存，点云模型不能直接保存。因为我们保存出来的数据是以后模型制作的依据，Scans软件相对于点云处理来说已经相当成熟了，后续的点云处理软件有许多种，每一种对点的需求都不一样，因此点云数据又必须有各种不同的格式应用于不同的软件当中。
我们对已经拼接完的点云模型，后续处理时用的是KUBIT PointCloud 6.0软件，它可以打开很多点云格式。由于PTC格式的点云密度能比较理想地体现出模型的整体结构特征，所以我们就以PTC格式为例。
1）首先在Scans软件的菜单内，点击结构菜单的Scans文件夹，点击鼠标右键，在弹出的菜单选项选择导入/导出，导出扫描点选项（图4.52）。
图4.52 导出扫描点菜单
2）在弹出的导出对话框内，最上面的一行里选择PTC文件格式，点击保存，这样我们就将已经处理好的点云模型保存了（图4.53）。
4.1.3.4 点云模型的面成像
虽然经过上述处理步骤，点云数据已经完全拟合，但仍旧无法达到我们的需要，需要运用其他软件对点云数据进行处理。在点云数据处理软件中，KUBIT PointCloud 6.0软件最理想，它是将点云数据拼接成面状的软件。
KUBIT PointCloud 6.0软件是AutoCAD的一个应用程序，在著名的AutoCAD软件环境中显示、分析、处理数以亿计的三维点。通过三维激光扫描仪记录的点云数据，可以在AutoCAD中，使用标准的二维、三维功能进行处理。
KUBIT PointCloud 6.0软件扩展了AutoCAD当前的功能，并能够管理大量赋色点云数据。与AutoCAD不同的是，点云软件可以直接在AutoCAD上对数以亿计的点进行显示和评估。
图4.53 选择文件保存格式视图
1）在建立岩石标本的数字三维模型时，首先要安装KUBIT专业软件，并连接软件狗，打开AutoCAD（图4.54）。
图4.54 打开AutoCAD 视图
2）在菜单栏的位置寻找，会找到KUBIT PointCloud 6.0 软件的一个专属菜单，点击它，在第一行选择完成按钮，将弹出对话框，可插入点云数据（图4.55）。
图4.55 选择按插入点云文件视图
3）选择Scans软件所保存的点云数据PTC格式文件，点击PTC，单击确定，软件将自动导入地质标本点云数据（图4.56）。
图4.56 插入点云文件视图
4）按住Shift键，然后滑动鼠标滑轮浏览点云模型。在定义截面内有很多选项可以供我们使用，其中截面管理器是用来管理我们已经导入的点云模型的（图4.57）。
图4.57 截面管理器视图
5）点击截面管理器，在弹出的对话框中，单击颜色框可改变点云的颜色（图4.58）。
图4.58 颜色选择视图
6）因为后期要处理点云模型的颜色，可能会与点云本身的颜色冲突，而导致不好辨认。所以我们把点云初始色变成白色，单击确定按钮（图4.59）。岩石标本模型立体感很强，很多面都有突出的点和形状。所以在进行模型制作时，需要从3个面制作模型，分别是XY、ZX、ZY等3个面（图4.60）。
图4.59 设置点云初始颜色视图
图4.60 点云模型图
XY面反映模型前、后两面的具体轮廓，ZX面反映模型左、右两面的具体轮廓，ZY面反映模型上、下两面的具体轮廓，3个面整体拼合后，就形成了360°的全景三维模型。
7）我们将3个面分别制作出来的模型，进行整体拼接合并后，就得到岩石标本的最后模型（图4.61）。
图4.61 拼接合并后的点云模型图
以上的描述就是我们制作模型的具体思路和方法，下面我们看看怎样进行模型制作。3个面的模型制作方法类似，我们以XY面的模型制作为例。
步骤1：首先将模型调整到正视图的角度，单击定义切片功能（图4.62）。
图4.62 定义切片功能视图
步骤2：在AutoCAD的命令栏会要求操作者输入切片所需要平行的面，输入XY，按空格后，将执行命令（图4.63）。
图4.63 定义切片面视图
步骤3：命令行会自动提示，要求输入切片的第一个点（图4.）。
图4. 定义切片首点视图
步骤4：选择第一个点，该点应该从最底层开始（图4.65）。
图4.65 选择首点视图
步骤5：这时鼠标位置为十字光标，我们将模型点云放大，点击最靠近底部边缘的一个点，然后命令行会提示要求输入切边分界线的第二个点或者厚度（图4.66）。
图4.66 选择厚度视图
步骤6：这里的厚度值，需要不断地尝试几次来确定，因为模型是以线条为基础而建立的，点云的厚度直接影响到线的准确性，所以点的厚度不能太大，也不能太小。否则连线的过程中的线会出现点与点之间的距离过大，这样所连出来的线也就不准确了。因此，点云切片的厚度一定要把握好，这需要技术人员多多练习，根据自己的经验来填写厚度（图4.67、图4.68）。
图4.67 点厚度显示图
图4.68 点间距离显示图
步骤7：切片完成后，点云展现为薄薄的一层。然后，点击适配轮廓线（图4.69）。它是岩石标本模型最精确的外轮廓线之一。当进入俯视之后，我们可以用AutoCAD自带的线进行连接，只是会比较慢。我们建议用 KUBIT Point Cloud 软件的适配轮廓线命令（图4.70）。
图4.69 适配轮廓线图
图4.70 适配轮廓线选择视图
步骤8：点击适配轮廓线命令，软件会自动弹出对话窗口询问是否转化为顶视图。
步骤9：点击是，软件会自动将视图窗口转化为对已切点云轮廓线的顶视图（图4.71）。它可以更贴近地连接附近的点，并且保证所连接的线在一个平面上。当点的距离大于所设定的距离时，该软件命令会自动将线条贴过去（图4.72）。
图4.71 点云轮廓线顶视图
图4.72 自动贴线显示图
步骤10：整体连接完成后，点击向上移动切片，软件会自动地将切片的位置向上移动到一定的位置（图4.73）。
图4.73 切片操作视图
步骤11：再点击适配轮廓线命令，再连接出一个轮廓来。
步骤12：重复上面的过程。对于一个岩石标本的切片，最好保持在50个以上，只有这样做出的模型，才能将岩石标本的表面轮廓真实地再现出来（图4.74）。
步骤13：选择根据点云切片所画出的岩石标本外轮廓，使用AutoCAD命令“放样”进行模型建立（图4.75）。
图4.74 岩石标本轮廓线图
图4.75 岩石标本三维模型图
步骤14：选定已经建好的3D模型，仔细翻转检查并进行碰撞检测，检测无误后（关于碰撞检测后面会有专门一节进行讲解），点击鼠标右键，在弹出的菜单选项中选择隔离（图4.76）。
图4.76 选择隔离对象视图
步骤15：在子选项里选择隐藏对象。
步骤16：重复以上切片过程，对点云ZX、ZY面进行切片，分别建立三维模型。3个面的切片模型都建完后，我们就可以进行后续工作，进行模型的整体拼合。
4.1.3.5 点云模型碰撞检测
我们对点云数据进行切片之后，需要根据每一层的切片用实线画出每一层的外围轮廓线，并在轮廓线的基础上建立三维立体模型。按照理论我们建立的模型应该与点云数据理想切合。但因点层与点层之间的距离，使模型与点云数据之间存在实际误差。
KUBIT Point Cloud软件的碰撞检测，可以很直观地以视觉方式将误差显示出来，我们可以根据观察结果，进行模型修改。
1）点击KUBIT Point Cloud功能的碰撞检测命令，首先选择一个或者多个AutoCAD 3D实体。
2）点击“下一步＞”按钮，执行碰撞检测（图4.77）。执行这个命令，需要花费一些时间，时间的长短取决于实体数量及复杂性和当前可见点数量。
图4.77 适配轮廓线图
3）在碰撞检测时，你可以指定碰撞点是否成集。成集的意思就是彼此接近的点结合到一起（集群），距离远的点通常不包含在集群中（图4.78）。
图4.78 碰撞检测视图
4）你需要定义不同集群之间的最小距离（AutoCAD单位）。换句话说：如果两个点的距离超过定义的最大距离，它们就属于不同的集群。每个集群的结果保存在界面管理器的临时界面（图4.79）。
图4.79 集群点显示图
5）集群数量的结果显示出来后。如果你需要更多的或更少的集群，可以改变集群距离重复操作。距离增加，集群减少，反之亦然。
集群数量的选择，是否需要更多的集群或很少点的集群，由您的需求决定。因为点云反映的是岩石标本表面点的集合，所以碰撞检测的时候，点的数量越多，表示我们所建立的模型与实物相比越是准确，误差越小。点的数量可在KUBIT Point Cloud选项的点云管理器里进行查看（图4.80）。
图4.80 点云管理器视图
4.1.3.6 模型整体拼合
在我们已经做出3个层面的模型之后，并完成了模型与点云数据的切合度。通过模型整体拼合，可把3个层面的模型拼合在一起。
每一个层面的模型都有两个面的平面，如XY平面的岩石标本模型，当时的切片是以XY平面为基准做的切片，这样切出来的点云拼成的线和模型肯定在XY平面的方向上，不能表达岩石标本的真实表面。ZX和ZY平面切片模型对岩石标本的表达比较完整。所以在理论上，拼接这两个面的模型，可以表达岩石标本的外部轮廓。但是，3个面模型的拟合可以让模型更贴近真实，因此建议用3个面的模型做拼接。
1）当模型拼接时，每次都是将前一个层面模型进行了隐藏（图4.81）。
图4.81 选择隔离对象菜单
2）当模型全部建立完成后，我们将建立的所有模型都显示出来，进行拼接。现在我们在CAD界面点击鼠标右键，在隔离选项选择结束对象隔离。这样我们以前所隐藏的岩石标本模型就全部显示出来（图4.82）。
图4.82 选择结束对象隔离菜单
3）选择AutoCAD命令交集，在十字光变成选择框后，选择我们已经建立的3个岩石标本模型，并按空格执行命令（图4.83）。
图4.83 选择交集视图
这时生成的岩石标本模型，再经过碰撞检测后，确认点云数据与最后模型的碰撞点数到达要求后，就完成了岩石标本三维模型的制作工作。
4.1.3.7 模型进行渲染输出
前面我们已经对点云数据进行了加工，建立了以点云数据为基础的三维立体模型，进行碰撞检测，确认了模型与实物整体大小的误差满足要求。
在模型的外围轮廓到达要求后，需要利用 AutoCAD 本身的渲染功能，以及 KUBIT PhotoPlan软件来进行渲染输出。KUBIT PhotoPlan是AutoCAD里面的一个应用程序，能够对照片进行纠正，进行摄影资料评定，以真实比例恢复旧地图和平面图。KUBIT PhotoPlan的校正结果是真实比例的照片平面，通过确切的集合信息链接现在的照片。
1）打开AutoCAD，并开启AutoCAD菜单栏的KUBIT PhotoPlan软件，然后导入需要修改的图片（图4.84）。
图4.84 KUBIT PhotoPlan 软件打开界面
2）使用“图像→剪辑图像”命令，完成图像剪裁。注意在调用命令“剪辑图像”之前，选择任意多边形虚线作为剪辑的分极限。图像被剪辑的部分并没有删除，AutoCAD只是剪裁它们。如果用户想在剪辑之后对图像部分进行修改，只要通过标记边界，并通过鼠标点击和移动一个角上的点可到想要的位置。只有被剪裁的图像部分参与校正，剪辑完成的图片将用于在AutoCAD中，对我们之前建立的模型进行渲染，使模型更形象具体。
3）首先在AutoCAD菜单，打开“渲染”材质编辑器，在材质编辑器里将已经处理完的照片导入材质（图4.85）。
图4.85 地质标本照片
4）将所有照片都导入CAD材质当中，对每一个面进行渲染，材质的渲染必须与实际相符合。即不断地翻找照片，根据它们的外围轮廓与模型进行对比，确认模型与照片的外围轮廓完全相符后，再贴材质。
5）最后进行渲染，查看贴图的效果与实际的差别进行亮度调节（图4.86）。
图4.86 亮度调节后的地质标本照片
6）至此整体模型的建立就完成了，最后将模型保存为我们需要的格式，例如FBX（图4.87）。
图4.87 保存三维模型文件视图
