1.2 点云数据获取技术

长期以来，为获取真实世界的三维信息以满足相应的应用，相关领域的研究人员一直致力于探索最新的数据获取手段并改进现有的获取技术。比如逆向工程领域需要高精度的目标模型以实现目标的复制；机器人领域需要快速采集周边环境信息以实现实时自主导航和环境感知；测绘领域需要获取各种环境下高精度的地形信息以实现完整地形图的绘制；考古领域则需要获取文物的高精度三维模型以实现文物的修复和保护。不同领域的不同需求导致三维点云数据获取技术的层出不穷。数据获取设备的小型化、易用性和普及率也在不断提高。

根据数据获取设备与扫描目标的作用方式来分，现有的三维点云数据获取技术可以分为两大类：一类是接触式，以机械接触的方式进行三维测量；另一类为非接触式，以声学、光学和计算机视觉等技术获取物体表面的三维信息。

1.2.1 接触式

接触式获取技术需要借助传感器与物体表面的接触来获取物体表面点的坐标。目前，接触式测量方法应用最广泛的是三维坐标测量机，图1-1所示为关节臂测量机便携式三维坐标测量仪。随着电子系统和探针的发展，三维坐标测量机的测量精度往往可以达到微米量级甚至更高，常常应用于逆向工程领域。但是，由于该测量机存在价格昂贵、体积大以及测量速度慢等缺点，应用领域受到了极大限制。

图1-1 关节臂测量机便携式三维坐标测量仪

1.2.2 非接触式

非接触式数据获取技术不需要传感器与物体发生直接接触，因而在日常生产生活中应用较为广泛。根据测量原理，非接触式数据获取技术分为主动式和被动式两类测量方法。被动式的测量方法主要是利用立体视觉的方法来获取物体表面的空间坐标，采用两个或多个相机对同一目标进行成像，通过稠密匹配获取图像之间的对应点进而解算出其空间坐标。Bumblebee XB3是典型的非接触式数据获取设备，如图1-2所示。被动式测量方法通常要求被测量目标具有比较丰富的纹理以便获取对应点，可以实时获取目标点云数据，但数据质量通常不高、目标边缘退化严重。

图1-2 Bumblebee XB3

主动式的测量方法是通过一定的设备向物体发射超声波、X射线、电磁波或激光等，根据物体表面反射回来的信息来判断物体表面的空间位置信息，其中比较有代表性的是基于飞行时间的测量方法以及基于结构光的方法。基于结构光的测量方法是将一个具有固定编码模式的光斑投影到物体表面，然后通过比较光斑编码的变化来解算物体表面点的空间坐标，典型设备包括如图1-3所示的微软公司的Kinect V1。基于结构光的数据获取方式能够实时获取目标点云数据，但是数据质量不高，作用场景范围会受限于传感器的尺寸。基于飞行时间的测量方法，通过测量传感器发射的激光或红外脉冲在传感器与目标之间的传输时间与角度信息来计算目标表面的空间坐标，典型设备包括Kinect V2（图1-4）和ILRI-LR（图1-5）。该类方法的精度高、扫描速度较快而且不会损坏物体，是一种比较实用的测量方法。

图1-3 Kinect V1

图1-4 Kinect V2

图1-5 ILRI-LR

目前，三维点云数据获取技术主要集中在基于飞行时间以及基于结构光的测量方法研究，测量设备正朝着小型化、低成本化和量产化方向发展，应用领域也逐渐转移到消费级的应用上。