激光投影机的优缺点 [三维激光扫描技术在曲面展开中的应用]

　　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画。由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：1000-4106（2012）03-0113-03
　　Application of 3-D Laser Scanning Technology
　　in Unfolding a Curved Surface
　　DUAN Qisan1 LU Wenxu2
　　（1. Leica Geosystems Trade (Beijing) Co., Ltd;
　　2. Archaeology Institute, Dunhuang Academy, Dunhuang, Gansu 736200）
　　Abstract： The arched niches of the Mogao Grottoes at Dunhuang were first chiseled out of gravel rock walls. Then paintings and sculptures were created inside them. The curvature of the surface varied in different places because of the limitations of then current technology. To display its details on a surface, the surface of the arched niche should be unfolded onto a drawing. This paper presents a higher-resolution approach to this problem by basing the floor plan and the cross sections on point cloud data, which improves the accuracy of the unfolded surface.
　　Keywords： 3-D laser scanning; Mogao Grottoes; Curved surface; Application
　　(Translated by WANG Pingxian)
　　1.三维激光扫描技术的介绍
　　三维激光扫描技术又称实景复制技术，它可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据，同时，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作（如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等），它是各种正向工程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、军事、石化、医学、水利、能源、电力、交通、机械、影视、教学、科研、汽车、公安等。另外，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作，所以在目标的建模、复制、仿制、修复、翻新、分析、改造、维护、建档及用于任务的模拟、训练、仿真、虚拟现实、推演、试验、检测、变形分析、CAD、CAM、CMMS、有限元分析、流体动力分析、逆向工程等方面也都可以找到它的用途，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，这样成组的壁画就能够记录下来。为了保证文物的真实性，所以在曲面展开为平面的过程中需要较高的精度，这样才能为文物保护者提供准确的平面来保存原来的壁画。图1中是敦煌莫高窟第275窟南壁第一身菩萨，为了将佛龛内的壁画完全真实地表现出来，敦煌研究院希望将佛龛展开为平面，本论文将就此曲面展开问题进行论述。
　　4.三维激光扫描技术在穹隆形佛龛展开中的流程与办法
　　4.1三维激光扫描的外业数据采集
　　首先利用三维激光扫描仪在敦煌莫高窟第275窟中进行扫描，扫描仪在空间获取点云数据，并将点云数据及时地记录在电脑中。使用相位激光扫描仪扫描的速度较快，大约每秒采集一百万个点坐标及纹理信息，形成三维点云影像，如图2。
　　4.2内业处理