三维数据采集

三维数据采集（精选十篇）

三维数据采集 篇1

由平面的屏幕构成的显示系统,如CRT、LCD等,只能显示二维的图像而缺乏第三维(景深)的信息,这个根本性的缺陷导致了其与真实三维物理世界之间存在无法逾越的鸿沟,极大地影响到人们对复杂物体的认知和理解,因此三维显示成为目前流行的趋势。现有的三维显示技术中以体三维显示技术最受关注,由于体三维显示目前还没有形成一套成熟的理论,所以对体三维显示相关技术的探讨就显得十分必要。

体三维显示系统涉及大量的数据再现问题,相对于成熟的2D显示技术,体三维模型的获取较为困难,而且获取方式尚未标准化。此外,在平面设备上进行三维物体渲染时,模型数据多采用多边形的方式进行组织,然而在体三维的显示系统中,为了方便切片显示,模型数据需要逐像素使用三维立体坐标进行组织,一般采用笛卡尔坐标系或是柱坐标系。本文介绍了现有的几种体三维模型数据采集技术。

1 体三维显示技术

早在二十世纪八九十年代立体电影刚刚问世的时候,从人们对于立体电影的热爱和渴求就能够看出立体显示的前景是十分广阔的。而当今所面世的立体成像显示系统都是在二维平面上通过对人们视差的暗示来还原假三维空间,突破不了二维显示器无法真实还原三维空间地址信息以及对真实三维影像在空间上的重构等领域的瓶颈。现有的三维显示大致可以分为四个大类:立体视觉显示、全息立体显示、透视三维显示、体三维显示[1,2]。

立体视觉显示是基于双眼的水平视差和视觉深度感的再现原理,利用光栅分光产生视差的伪3D显示原理进行立体影像还原显示的系统,缺点是在对具体被显示物体的空间寻址以及360度全景全息显示上存在很大的局限性,并且需要特殊的设备,且容易导致疲劳,不适于长时间观看;全息立体显示是通过再现图像的幅值和相位信息,利用二维介质来显示具有虚拟三维效果的图像,缺点是其需要的全息图的信息量存在很大的冗余;透视三维显示是具有阴影及单眼视差,以倾斜或透视图的形式将三维图像显示在二维屏幕上,缺点是在深度的判断过程中会出现不确定性,并非真正的三维显示。较前三种显示方式,体三维显示是在一个实际的三维空间中进行显示,能够对场景进行360度还原,观察者无需特殊的设备,可以从任意角度对物体进行观察。

体三维显示技术原理是利用人类视觉系统中固有的三维数据处理结构来显示实际占据着一个三维空间的图像,这种实际三维场景的再现虽涉及到大量的数据再现问题,但再现原理相对简单。现有的体三维显示方式可以分为扫描显示和静态显示两种[1,2,3]。扫描显示是利用人类视觉残留原理,在一个时间段内,将一个系列的二维图像分布显示在一个三维的空间中。例如:通过将一个三维场景剖析成大量的图像切片,这些切片可以是长方形、圆形或螺旋形等形状,进行显示时,使用切片形状的显示面通过旋转或其他方式,在短时间内将这些切片图像按照固有顺序显示在这个空间,从而实现三维场景的重现。相对于扫描显示技术,静态显示技术尚未成熟,现有的静态显示技术包括使用激光激发空间内的固体、液体或气体使其产生可见光,以及使用聚焦的红外激光脉冲在正常的空气中创建出可发光的等离子体等。

体三维显示涉及到非常大的数据量。例如一个柱状的体三维显示器,假设切面的长和宽都为1000,该显示器旋转一周需要360幅切面,一个像素点的坐标和色彩信息需要4个字节来表示,那么一幅三维画面需要的数据量为1000×1000×360×4GB,即是1.44 GB;如果是显示动态画面,每秒显示24帧,那么该系统1秒钟需要的数据量为34.56GB。因此体三维显示系统要具有高带宽的数据传输能力。在分辨率提高时,可以通过显示区域划分来解决数据传输带宽过高的问题。

2 体三维模型数据采集技术研究

当前体三维显示器械的发展已经较为成熟,但体三维场景数据生成依然是一个极具挑战性的领域,特别是在实时或高分辨率的应用场合。体三维模型数据采集技术研究目前主要有以下几个方向。

2.1 三维模型的数据转换

当前大量的体三维系统的应用场合都是对三维建模软件(例如3DMAX等)生成的场景进行显示,这类应用例如:分子模型、生物模型的显示,科学研究数据的可视化等。三维模型数据到体三维显示模型数据的转换一般分为三个步骤:首先,通过三维建模截面图像组融合来获取笛卡尔坐标形式的三维坐标数据及其对应的色彩数据;然后将获取的坐标数据按照体三维显示器的分辨率进行归一化;最后把归一化后的定位数据组及其色彩信息映射到三维的显示空间。

2.2 二维图纸的三维重建

工业造型的CAD系统长期使用二维图纸来精确描述产品的几何信息,因此基于二维图纸的三维重建技术有着较高的应用价值。这种技术既可以充分利用已有二维设计图纸来进行快速的三维建模,同时也在一定程度上解决了二维工业设计到三维造型之间的技术隔阂。一般的二维图纸的三维重建分为三个步骤:首先对整个图纸进行视图分离;视图分离后,以主视图为基准计算出其他各视图的位置,对它们进行平移、旋转等坐标变换,自动地将各个视图按照视图投影方向的位置放置;最后还需要从视图中获取特征轮廓[4]信息用于特征造型。

在进行二维视图到三维视图的转换时,需要对整个图纸进行视图分离,即把图纸中的每个图元按其三视图的归属归入一个视图,并且一个图元只能属于一个视图,因为一般的二维绘图系统在绘制时,都不实际划分视图,二维图纸的输入是在整体坐标下进行的,而二维转三维的基础是视图之间图元的投影关系。目前的视图分离方法主要分为轮廓搜索的算法[5,6]和包围盒分离方法[7]。轮廓搜索的算法并非面向二维转三维的视图分离,通常被用于识别最大最小轮廓,当视图的轮廓比较复杂,例如包括许多边界曲线时,运算量比较大。包围盒分离方法通过考察图纸中包括边界曲线在内的图元的包围盒之间的相交情况进行视图分离。文献[4]介绍了一种基于包围盒分离方法的二维视图三维重建方法,并提供了模型重建结果的校验等功能。

2.3 横截面模型重建

对于通过扫描横截面获取的图片数据[3],例如医学方面的CT图片组,其三维重建的过程分为以下三个步骤:首先对于每一片CT图片中的像素,保持其横纵(X, Y)坐标不变,读取其亮度值并赋予相应的色彩,然后赋予每一片对应的景深坐标(Z),从而获取相应的笛卡尔坐标;然后将获取的坐标数据按照体三维显示器的分辨率进行归一化;最后把归一化后的三维坐标和色彩信息映射到三维显示空间。

2.4 单视图模型重建

单视图数据采集即是从单副图像中提取出物体的三维模型,这样的研究包括弧形三维表面的建模[8,9]、基于目标类型识别技术的自动分片建模[10]等。Horry等于1997年发表的“Tour into the picture”[11]被认为是第一个单视图三维重建的系统,它可以对照片或绘画中分段的平面进行重建。随后的研究文献[12,13]针对存在较多隐藏的点和面的情况进行了优化,提高了重建的几何精度。

通过标识光滑表面的轮廓为显著轮廓,单视图重建是使受显著轮廓制约的表面光滑度目标函数[14]最小化来获取物体的三维模型。Prasad等的研究[15]提出了使用一个非连续的平面生成器来进行表面预测,并使用代表全局能量最优问题的线性方程组来处理复杂的拓扑结构和更为普遍的物体表面。这种技术目前还存在诸多问题,例如,表面还原方程和参数还需要进一步的研究以获得一个可以广泛适用的能量迭代方法。

2.5 多视图模型重建

多视图数据采集使用一系列从已知视角拍摄的图片来重建完整的三维模型,主要通过检测图像可视部分的一致性来重建场景,即是通过比较不同图像之间的像素点来将这些点关联起来,确定同一点在不同视角中的位置。同时,由于场景的能见度会随着视角的变化而变化,因此在图像一致性检测时必须考虑能见度模型,常用的方法包括几何方法[16]、准几何学方法[17]、基于离群的方法 [16,17,18]等。

在场景纹理分辨率较低的情况下,单纯的检测图像一致性方法不能精确地还原场景的几何特征,通过预设场景的特征值(几何形状的倾向)来引导重建过程能够得到比较理想的结果,例如最小化表面方法[17]、像素染色方法及空间切割方法[19]、局部平滑方法[15,16]等。

多视图三维重建的算法可分为四类:

第一类方法通过计算一个三维空间代价函数从而在这个空间中提取出物体表面。这类方法有着类似的思想,但使用不同的代价方程和表面提取方法。例如Treuille 等使用基于立体坐标染色的算法[20] ,首先扫描目标空间,然后通过一个具有阈值限定的代价函数来重建物体表面。Kolmogorov 等通过定义立体的MRF(马尔可夫随机场)并使用最大流或多通路图切割来提取较为理想的物体表面[16]。

第二类方法迭代式地演化一个物体表面代价方程来得到其最小值。例如使用空间切割的思想[19],逐步去除一个空间中不一致的点,或通过添加或删除空间中的立体点来最小化一个预设的能量方程[21];而基于Level-set的方法从目标空间的初始状态开始,通过最小化目标空间中定义的一组偏微分方程来逐步收缩最后得到精确的物体模型,不过为了最小化预设的能量方程,它也可以在局部进行扩张。

第三类方法通过计算一组景深图然后将这些景深图融合成一个三维模型,例如文献[16,18]。这类方法需要强制在景深图之间加入一致性约束。

第四类方法首先提取并匹配一组特征点,然后根据这些特征点和物体的重构特征来重建物体表面[22]。

Scharstein等给出了现有理论和算法的一个详细分类[23],包括多视图模型重建涉及到的计算理论、代价方程和能量方程、差异化计算及优化问题等。

在物体静止的情况下,从各个角度取得被观察物体的图像进行后期计算合成。然而在非理想的情况下,例如:物体处在运动状态、拍摄视角处于运动状态或受环境因素影响无法从理想位置进行图像采集,要直接进行物体表面还原是非常困难的,这些情况下场景的能见度模型是不稳定的。Maki等研究了物体在单点光源照射下的同步光线强度约束,介绍了一种使用具有单点光源的单镜头进行物体表面重建的方法[24]。此外,也可以使用基于立体坐标填充的方法[25]通过逐像素地还原出物体的三维模型,从而推测出物体的三维表面,其结果依然较为粗糙,但具有广阔的应用前景。

3 数据采集技术的分类

按照不同应用场景,体三维图像数据的获取技术可以分为两大类:精确三维模型生成技术和基于机器视觉的三维模型重建技术。前者多为计算机建模技术,后者是真实世界场景的体三维重建。

3.1 精确三维模型生成技术

对于已经存在的精确的(二维、三维)模型信息,由于具有精确的模型数据和几何约束,因此只需要通过软件算法进行转换就可生成相应的体三维模型数据,比如模型的坐标转换(笛卡尔坐标系、柱坐标系等)、模型数据的表现方式的转换(多边形方式、立体坐标方式等)、根据体三维显示系统的大小对进行模型的缩放等。

精确的三维模型生成技术的数据获取代价相对较低,数据还原真实度较高。使用3D建模软件建立的三维模型、使用工业造型CAD系统设计的二维图纸以及基于横截面信息模型重建都是属于这一类。

3.2 基于机器视觉的三维模型重建技术

基于机器视觉的三维模型重建技术是一个非常复杂的过程,同时涉及到庞大的计算量。现有基于机器视觉的三维模型重建技术都只能在一个较为狭窄的研究范围内取得较好的效果,目前还没有一种较为通用的重建方法。静态物体的三维模型重建可以达到较好的效果,但动态物体的体三维模型生成依然是一个难题,目前尚无成熟的应用。

目前的三维模型重建技术主要有单视图重建和多视图重建两种。机器视觉领域的一个本质性的问题是物体的表面还原。单视图重建即是从单幅图像中推测并提取出物体的表面几何轮廓信息,目前主要被用于自动化照片信息提取等领域;多视图重建则是从不同角度对目标物体进行观察,从多幅二维图像中提取出三维信息,其可被用于对静止或运动的物体进行建模。

4 结束语

本文通过对目前体三维显示发展的分析,对现有的体三维模型数据采集技术进行了分类和总结,介绍了已有三维模型数据、二维图纸、横截面数据到体三维模型数据的转换方式,并概述基于机器视觉技术的三维模型重建方法,单视图模型重建和多视图模型重建,为相关方向的研究提供了参考。体三维显示技术在科研、医学、教育、体育、宣传、娱乐、传媒等领域都有非凡的意义,它甚至可能改变或者创造出一种全新的更有效率的工作方式,在人类在生活和工作领域发挥巨大的作用。

摘要：体三维显示技术是计算机视觉领域最为活跃的研究方向之一,它能够在一个实际的三维空间中对场景进行360度还原。由于涉及大量的数据再现问题,体三维模型的获取较为困难,特别是对真实世界中物体的体三维重建。分析了体三维显示的特点及相关应用,概述了现有的体三维模型数据采集技术,为相关方向的研究提供了参考。

三维数据采集 篇2

用“3D制表软件”是不错的选择，

不用Excel轻松制作三维数据图表

，

软件运行后，在“数据项”中输入数据名称，并在下方的“数据值”中输入对应的数据值，完成后单击“生成三维图表”即可看到效果图(如图)。在右上角，有四个切换按钮，分别表示竖直柱状、折线、横向柱状和饼状图，单击可切换图表样式。另外，单击左上方图表标题，可修改标题内容。完成后，单击“导出当前图表”，即可保存为图像文件，我们可以把它插入到Word或WPS中使用。

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三维数据地图 Excel轻松作 篇3

接下来制作所要显示的各个场景。点击“新场景”中的“世界地图”，添加一个新场景。选择这个场景，对图层进行重命名；位置处点“添加字段”，区域处选“城市”，点城市右侧向下箭头，选“城市”；高度处点“添加字段”，区域处选“销售”，点销售右侧向下箭头，选“平均”；类别处点“添加字段”，区域处选“城市”。最后，利用控制地球的按钮来调整数据地球的显示角度（图4）。

主场景设置完成后，设计显示各县区销售情况的分场景。点击“新场景”中的“世界地图”，选择新添加的场景，对图层进行重新命名；位置处点“添加字段”，区域处选“区县”，点击城市右侧向下箭头，选“县市”；高度处点“添加字段”，区域处选“销售”，点击销售右侧向下箭头，选“求和”；类别处点“添加字段”，区域处选“区县”；点击筛选器中的“添加筛选”，区域处选“城市”，勾选所需城市（如唐山）。同样需要调整数据地球的显示角度。

其他城市各县区销售情况的显示，可以点击工具栏上的“新场景”选择“复制 场景3”，设置方法同上，只是在筛选时要选择不同的城市。

三维数据采集 篇4

三维地震勘探是一种高密度面积采集技术。它利用炮点和检波点网格的灵活组合获得分布均匀的地下CDP点网格和确定的叠加次数。文章以新疆库尔勒市塔什店向斜北翼煤矿为例[1], 系统分析了三维地震勘探工作中野外施工的主要影响因素。

1 试验工作

生产前通过对地质资料分析, 掌握工区地质、地球物理特征, 了解区内地震地质条件及有效波、干扰波发育情况, 优选施工参数和压制干扰波, 为正确选择最佳的激发条件、接收条件和仪器采集因素提供依据, 以确定完成地质任务所采用的基本施工方法。

本项目均匀分布共布置3个试验点, 其试验内容覆盖了区内各类地震地质条件。通过对区内已知地质资料及39张地震试验记录的分析、研究认为:勘探区表层及浅层地震地质条件复杂多变, 松散的砂层及较厚的卵砾石层对地震反射波能量有强烈的吸收、衰减作用, 对地震记录面貌有一定影响, 经对试验资料分析, 确定本区激发井深选在8～10 m地层结构较致密地段激发效果最好, 如图1所示;由于施工区无潜水位, 势必造成地震单炮记录的面波、声波及一些高频干扰。因此, 必须把炮井填实、填满、捣实, 采用闷井激发等手段尽量减小各种干扰的影响程度, 如图2所示。经对试验资料分析, 确定本区激发药量选在1.5～2.0 kg闷井激发效果最好。

2 观测系统的选择

观测系统正确与否直接影响数据采集质量、资料处理效果和地质成果的精度。新疆库尔勒市塔什店向斜北翼煤矿三维地震勘探地质任务要求严、精度要求高, 本项目有针对性地采用较小排列、增加横向叠加次数及全区高次叠加的方法, 采取接收线垂直地层走向布置, 规则束状8线8炮制观测系统, 如图3所示, 叠加次数为24次。

3 采集参数的确定

3.1 采集仪器的确定

本区采用428XL多道遥测数字地震仪, 1 ms采样, 宽频带接收。

3.2 空间采样间隔的确定

空间采样是指分布在地面上离散的检波点采集的地震讯号。三维空间采样间隔包括道距和束线中的接收线距。根据采样定理, 为了使道距的选择不产生空间假频, 道距ΔX应为:

式中, ΔX为道距, m;V为视速度, m/s;F为反射波主频, Hz。

如果该区应保护煤层反射波主频为70 Hz, 视速度V=3 000 m/s, 则ΔX≤21.428 m。

考虑到本区地形高差变化较大, 选用20 m接收道距, 40 m接收线距。

3.3 炮点网格密度

炮点网格密度主要跟纵横向叠加次数及排列道数有关, 由于本次三维地震勘探拟采用纵横向24 (6×4) 次叠加, 考虑到本区目的层平均深度在400 m以深, 因此, 采用每线48道接收, 在8线8炮、道距20 m、线距40 m的情况下, 正常炮点纵横网格密度为80 m×20 m。

3.4 炮检距的选择

炮检距的选择与目的层的深度、动校正拉伸程度、速度求取的准确度等因素有关。而最主要是目的层深度。要求最大炮检距尽可能与目的层深度相当, 以确保相对反射波能量受入射角以及直达波干扰、动校正拉伸程度的影响较小。因此, 本次勘探最大炮检距选择在571.4 m, 最小炮检距选择为20 m。

3.5 三维勘探施工面积的确定

3.5.1 偏移范围的确定

偏移范围是倾斜地层界面中的反射点恢复到正确地下位置时移动的水平距离L。

式中, L为水平偏移距离, m;V为速度, m/s;T0为时间, s;α为倾斜地层界面角度, (°) 。

设V=3 000 m/s, T0=0.6 s, α=15°, 则水平偏移距离L=233 m。

3.5.2 地震施工面积的确定

地震施工面积S由式 (3) 计算:

式中, LX、LY分别为地下实际勘探面积的长和宽, km;MX为沿倾斜方向两个边界最深目的层偏移距离之和, km;MY为沿走向方向两个边界最深目的层偏移距离之和, km;L1X、L2X分别为沿倾斜方向两端附加段长度, km;L1Y、L2Y分别为沿走向方向两端附加段长度, km。

根据计算, 地震施工面积为11.2 km2。

3.5.3 CDP点网格的确定

三维地震勘探与二维地震勘探的叠加形式是不同的, 二维是共反射点叠加, 三维则是共反射面元叠加。共反射面元叠加是指共反射面元道集内各反射点信号的叠加。反射面元的大小在纵向上一般取小于接收点距之半为共反射面元的线性长度, 即DX≤ΔX/2, 为10 m, 横向宽度DY≥DX, 选用10 m。根据上述选择, 本区CDP点网格为:DX×DY=10 m×10 m。

4 野外工作量完成情况及质量评价

本次使用的仪器为拓扑康动态GPS, 机型为TOPCON-HIPER机, 其RTK技术当前精度为:平面:10 mm+1.5×10-6, 高程:20 mm+1.5×10-6。本区所有检波点、炮点均采用动态GPS一一放样到实地。全区检波点的实际坐标与理论坐标检核误差最大不超0.10 m, 高程误差最大不超0.15 m。野外测量的检波点、炮点点位及高程与地形图上的相应点位及高程均做对比, 对发现差别较大且有疑议的测点均实地查看, 并进行二次复测, 确保测点准确无误。对个别特殊测点确实很难放到设计位置, 采取实测到最接近设计的位置。全区严格按照规范要求施工, 实测精度较高, 完全满足三维地震勘探要求。

施工自2009-06-11—08-10进行, 由于三维地震勘探的技术思路正确, 措施得力, 施工严格, 确保了本次野外采集资料具有高信噪比、高分辨率、目的层能量较强的特点, 如图4所示。本项目设计勘探面积5.3 km2, 施工面积11.2 km2, 勘探区布置测线33束, 炮线264条, 检波线136条, 生产物理点4 310个, 试验工程量54个。实际完成勘探面积5.3 km2, 施工面积11.2 km2, 施工测线33束, 炮线264条, 检波线136条, 生产物理点4 250个, 试验工程量63个, 总物理点4 313个, 比原设计多3个物理点。

经施工员、项目组、总工办三级验收, 甲级品2 867个, 甲级率67.46%;乙级品1 377个, 乙级率32.40%;废品6个, 废品率0.14%;物理点合格率99.86%。从野外数据采集监视记录及现场处理资料分析, 有效波清晰、明显, 信噪比高, 完全符合部颁《煤炭煤层气地震勘探规范》对原始资料质量检验与评价标准和设计要求。安全、优质、全面完成全部线束采集工作, 为下一步资料处理及解释打下了坚实的基础。

摘要：以某矿为例, 系统分析了三维地震勘探工作中野外施工的主要影响因素:试验工作优选施工参数和压制干扰波, 为正确选择最佳的激发条件、接收条件和仪器采集因素提供依据;观测系统直接影响数据采集质量、资料处理效果和地质成果的精度;采集参数受仪器精度影响外, 主要取决于空间采样间隔、炮点网格密度、炮检距、施工面积的选择。

关键词：三维地震,勘探数据,数据采集,效果分析

参考文献

三维数据采集 篇5

本文首先介绍了城市GIS数据的内容和特点，重点分析了海量三维模型及属性数据的组织体系结构，阐述关键问题的实现方式，初步设计了一套基于海量数据管理方法的数据流程。

1 引言

随着“智慧城市”等概念的提出，基于三维的数码城市地理信息系统(GIS)在城市信息管理中的应用日益广泛，而且它的应用范围也逐渐的扩大，由单个住宅小区的三维演示发展到整个城市的大范围演示，三维数码城市GIS所管理的数据量呈现出陡增的趋势，高效快捷的海量数据管理方法已成为数码城市GIS实现的关键技术难题。国内外的科研工作者们在这方面进行了许多探索和实践，并产生了一些有益的研究成果。本文借鉴了GIS中传统的二维信息管理技术，并在此基础之上提出了一种管理海量三维数据的模式，初步设计了一套完整的基于对象关系型数据库的城市GIS数据管理引擎。

2 城市GIS数据内容与特点

相对于传统的二维GIS而言，三维数码城市GIS具有更强的表现力与实用性，而这是以增加管理大量的数据类型和数据量为实现代价的，主要包含了以下几大类：1)空间数据(Spatial Data)。空间数据是城市GIS的基础信息， 城市GIS功能的绝大部分将以空间数据为基础。城市GIS管理的空间数据经抽象后可以分为描述地物和描述地形的两大类，即描述地物类的二维矢量空间数据(Digital Line Graphic，DLG)、三维矢量模型数据，描述地形的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据和数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)数据;2)属性数据。属性数据是从现实内容方面对三维矢量模型数据的补充，相对于各个特定地物类的“形”而言，属性数据赋予了它们“意”的内容，描述了它们自身的特有性质，如建筑物可以拥有名称、高度、用途等属性信息;3)多媒体数据。城市GIS广泛应用于社会各行业、各部门，如城市规划、交通等，随着应用需求的进一步拓展以及网络技术的日新月异，如语音、图象等多媒体信息也开始用于数码城市GIS中，丰富了系统的表现形式，赋予了系统更加强大的表现能力。

城市GIS的数据内容及其数据量决定了它的应用特点。与传统的二维GIS相比较，数码城市GIS对数据组织与管理又提出了许多更高的要求，比如：1)矢量模型数据、DEM数据和DOM数据的三库一体化管理;2)多尺度模型的集成应用;3)从数据库到三维虚拟显示的快速转换，如：必须只在当前的视线范围内选择物体(金字塔或是圆锥内)和动态装载等都要求新的数据模型和有效的空间索引机制。

3 海量三维模型及属性数据的组织体系结构

3.1三维空间实体的描述模型介绍

模型是人们对现实世界的一种抽象，数据模型是现实世界向数字世界转换的桥梁。信息系统的数据模型决定了信息系统的数据结构和对数据可施行的操作，因此数据模型是GIS的灵魂和关键。三维空间数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法，它反映了现实世界中三维空间实体及实体间的相互联系，对三维空间数据模型的认识和研究在很大程度上决定着3D GIS系统的发展和应用的成败。其中，三维几何数据模型是三维CAD、三维GIS都需要首先解决的问题，目前，用来描述三维空间实体的模型主要有以下四种(李青元等，)：1)结构实体几何模型(Construction Solid Geometry，CSG);2)边界表示模型(B-reps);3)面向对象模型;3)面向对象的可视化数据模型。这些模型各有优缺点，要应用到城市GIS的海量数据管理，还需要根据实际情况做结构上的调整和优化，以适应海量数据管理的应用特点。通过比较分析，并结合城市GIS软件设计的可复用性、可扩展性，本文将采用面向对象的可视化数据模型进行三维模型数据的组织。

3.2 三维模型及属性数据组织结构

城市GIS的数据内容包括DLG、DEM、DOM、三维模型及其属性数据，其中最主要的是三维模型及其属性数据，它们同时也是结构最为复杂的数据部分，涉及的数据量也非常巨大。三维模型及其属性数据的数据结构设计是关系到整个城市GIS存储数据量大小、漫游速度快慢以及表现逼真程度高低等的重要因素，本文利用了面向对象的可视化数据模型的设计思想将尽可能完整的数据信息包括进来，同时考虑到数据结构设计的精简性和易操作性。

1)三维模型数据结构

a)超组对象。对应面向对象可视化数据模型中的组对象。超组对象用于组合各种简单对象以表达复杂地物，并描述该复杂物体的整体特征，从严格意义上讲，它并不是实体的地物存储单元，因为它本身并不存储地物的矢量数据，因而不作为主要的数据存储实体。

b)体对象。在数码城市GIS中，体对象主要用来描述建筑物，针对建筑物结构复杂、通常包含多个单独实体的特点(例如一个大厦有主楼、副楼、底座等单独实体)，同时为了获取最大的灵活性，本文在组织建筑物数据时采用体元对象描述每个单独实体，同时引入一个体组对象，用它来将其所有体元对象组合成一个具有整体特征和属性的体对象。体组对象和体元对象之间是一对多的关系。

c)面对象。它统一了二维面对象和三维面对象的数据描述，将其矢量数据部分集中到一个面片单元中。面片单元可以描述二维面数据也可以描述三维面数据。

d)线对象。它统一了二维线对象和三维线对象的数据描述，特别将三维管线也引入到线对象模型中，并加入了材质、颜色和管线半径等可视化信息，管线半径为零时则表示该线对象描述的是二维或三维的简单线对象。

e)点对象。它主要描述独立的点状地物，并在描述树、街灯等纹理点状地物的同时引进了CAD或3DS模型，将这些模型也作为点对象，并用一个定位点和方向来放置它，以增强点对象的可视化效果。因此，点对象既可用来描述简单的点对象也可通过CAD或3DS模型来描述复杂的对象

上述各个对象均有各自的数据结构，下面以点对象为例简要说明其特征。点对象的数据结构如下图所示：

2)属性数据结构

属性数据是三维模型数据的解释和语义描述，它是城市GIS必需的表现数据之一，缺少属性说明的三维模型有“形”而无“意”，从“形”的意义出发，可将三维模型数据分为五大类地物;但从“意”的角度讲，对其分类是以地物的地物类编码为依据的。地物类编码是用来标识和区分一类地物的.最直接的说明，尤其在区分属性数据结构方面更是如此，相同地物类编码所标识的同一类地物将具有相同描述结构的属性数据。因此，一个城市所有模型数据中地物类编码的多少就决定了属性数据结构的多少，这些不同的属性数据结构主要是由城市GIS的用户来设计的。同时，基于系统实用性的考虑，对地物类编码的定义又作了适当的扩展，因为有时用户觉得严格意义上不同地物类编码的属性结构有相似性，例如都包含：名称，面积，备注等信息，用户可以将这几类不同地物类编码的地物归入同一个新的地物类编码，从而将它们的属性数据结构统一起来。

3.3数据库空间索引方法

在城市GIS中，空间索引一直是空间数据组织的重要内容之一，它是组织空间数据体系结构的基础，并为快速的空间数据查询提供了一个高效的途径。空间索引的性能优劣将直接影响到城市GIS的整体性能优劣。

对于空间索引，各国学者进行了较多的研究，最主要的成果如BSP树、K-D-B树、R树、R+树、CELL树、四叉树等。本文采用的第一种空间索引方法是类似R+树的索引，但针对城市GIS海量数据管理的特点对其组织作了一定的调整，利用它可以在空间快速的定位一个地物，提高了三维空间漫游时的系统效率。但是使用这种索引方式会导致在进行空间分析时需要设计复杂的算法才能执行较为复杂的查询操作，而这类算法通常由于复杂度较高且涉及大量数据，所以执行效率比较低;另外一方面，基于Oracle空间插件(Spatial Catridge)的空间索引提供了复杂的索引功能和简单的编程接口，不需要复杂的算法就可以实现分析功能，克服了前者的缺点，但Oracle空间索引的执行效率比较低，无法满足实时漫游的效率要求。为此，本文提出的数据组织方法中将采用这两种索引方法，二者相辅相成，既满足了实时查询时的速度要求也满足了复杂查询的效率要求。

4 关键问题的实现

4.1空间数据的快速压缩和解压

在城市GIS管理的海量数据中，三维模型数据是其主要部分，而在三维模型数据中矢量数据和纹理数据占有较大比重。在网络环境下直接传输如此大数据量的数据势必会降低系统效率，为此，为了提高客户机从远程数据库中提取数据时的网络传输速度，一方面，必须建立高效的空间索引机制;另一方面，出于减少从数据库中读取和网络上传输的数据量的考虑，采用数据压缩技术来实现用更少量的数据来表达更多信息的目的成为必然的选择。本文根据三维模型中矢量数据、纹理数据各自的特点，分别采用了两种压缩方法：一种是针对矢量数据的无损压缩算法-LZ77，另外一种是针对纹理数据的有损压缩算法-JPEG。

4.2 多用户并发控制机制

多用户数据库中，由于多个并发的事务操作中可能会同时更新相同的数据，所以必须保证这些同时执行的事务操作能够产生有意义、一致性的结果。为此，多用户数据库中对数据并发和数据一致性的控制是至关重要的。管理数据库的目的就是为了实现多用户环境下的数据共享协作，因此并发控制是城市GIS数据管理面临的关键性问题。

通常，多用户数据库中是利用锁机制来解决数据并发、数据一致性以及数据完整性问题的。锁机制是一种防止多个事务在访问相同资源时导致的破坏性交互操作的机制，加锁控制的用户对象包括用户的表和表中记录。然而在此基础之上，还必须设计一个合理利用锁机制的策略来保证多个用户并发访问时数据库的吞吐量，但由于事务隔离模型与数据库的吞吐量是两个互相矛盾的制约因素，因此必须在二者之间寻求相对平衡以使得在不影响数据一致性的前提下达到系统的最大吞吐量，本文即利用锁机制实现了多用户的并发控制。

同时本文并没有采用对表加锁的方法，而是采用了对记录加锁的方法来设计并发控制机制。对表加锁的缺点是当某个用户访问表中的一条记录时会锁定整个表，导致其它用户无法访问该表，这在很大程度上降低了系统的吞吐量，因为大多数情况下并发用户访问的记录一般是不同的，这样的并发操作并不会产生数据的不一致性。相对而言，对记录加锁的方法将具有更大的控制灵活性，但同时也增加了设计的复杂性。采用的锁类型主要是ORACLE中的共享记录锁(Row Share Table Locks ，RS)，它是所有锁类型中限制最小的锁模式，共享记录锁允许在一个事务采用该类型锁锁定某表中记录的同时还允许其它事务在该表中进行查询、插入或者对该表中其它记录的更新、删除以及上锁操作;共享记录锁限制其它事务对该表进行排它型(Exclusive)的写操作，即不允许对上了锁的记录进行写操作，但允许对该表中的其它记录进行任何其它操作。共享记录锁是灵活性最大的一种锁模式，灵活运用共享记录锁可以达到更大的数据库吞吐量以及更小的并发操作等待时间的效果。

上述这些控制机制保证了多用户并发环境下城市GIS数据库能够维持其底层空间数据库的数据一致性和完整性。

4.3整体系统的简要数据流程

从逻辑上讲，本文所述城市GIS数据管理体系结构是一个三层结构：上层是数据管理操作层(用户界面)、中间是数据操作功能实现层(空间数据引擎)，底层是ORACLE数据库。这三者之间的数据流从数据库的角度出发可分为两种：入数据流(In Flow)和出数据流(Out Flow)，入数据流主要是指由上层插入或更新数据时向底层数据库输入的数据，出数据流主要是指由上层发出查询请求时由底层数据库向上层提供的数据，三者间的简要数据流程如图2所示。

5 结语

探究复杂山地三维地震勘探采集技术 篇6

关键词：复杂山地；三维地震勘探；采集技术；探究

KL2气田具有地表起伏性较大、表层构造复杂化、老地表层暴露、交通不便捷等特点，KL2气田复杂山地的复杂性在地表以及地面都有所体现，因此在复杂山地开展的三维地震采集进程中受高陡逆掩推覆构造的影响，在资料形成等众多方面都存在问题。而三维地震勘探采集技术的及时引进与应用，使空间采样间隔和勘探区域精准的定位，提高地震勘探的工作效率、本文作者积极对这一采集技术进行深入的探究与分析，期待各种三维地震勘探采集技术在复杂山地的勘探工作进程中得到更为广泛的应用，为中国石油的开采、地震灾害的防治奠定基础。

一、多种震源联合激发技术

地震勘探人员借助对卫星遥感数据与地面地质进行调查的途径，对KL2气田山地三维地震区域地表以及岩性有了全面的了解；参照复杂山地不同区域的地表特征完成对整体区域激发分区的工作，可供选择的激发形式有：将山地钻机钻井应用于含砾松散黄土区、山体砂岩出露区；也可以使用车载钻机钻井对冲积河道小砾石区、冲积河道等地表区进行激发分区；无论选择的是哪一种的激发形式，必须保证每一种激发因素对应的区域占有一定的地表面积，激发炮数不少于30，否则要应用变观的方法；

炸药与可控震源的子波相位存在差异性，那么其在应用激发技术之时，应该开展相位转换的环节，以确保子波相位的统一性。目前在复杂山地三维

地震勘探工作中经常应用提取子波相位转换算子的途径是对弹炮记录进行提取，从而使多种震源联合激发技术得以研制；或者是在叠加型剖面对算子进行提取，以确保其提取的精确性；在山地三维施工作业进程中，多种震源联合激发技术在应用之时只要在区域整体中选择1～2个子区从而达到獲得重复型叠加剖面即可以达到勘探的目的，只是这一三维技术对需要应用的叠加剖面质量要求偏高，同相轴处于优质的状态中，对于重复叠加剖面段，其纵向覆盖长度通常大10个CMP。

二、山地高密度三维技术

宽线+震检组合攻关为质地较好的地震剖面，为三维地震勘探技术的应用奠定了基础，尤其是能够协助地震勘探者顺理技术规划。在采集上，使观测系统压噪能力增强，对破碎带也能起到良好的功效。

高密度地震三维技术是指应用于常规道间距大于道间距或者是单点不组合的地震采集的技术，这一技术的优势是将分辨处理的效率提高，同时使石油藏建模实现一体化。作为国际上刚起步发展的现代技术，其借助提升地震资料的信噪比、分辨率和保真效果，最终使构造成像精度、薄储集层辨别、岩性预算精度提高档次。该三維技术适用于复杂山地，核心概念不仅仅是对道距、采用单点激发、单点接收进行判断，并且以单位面积内的观测点密度为考核基准。当与过去相比观测数据道数值增大时，该复杂山地的勘探工作中就可以应用高密度三维技术。

根据上述思路分析，在KL2气田复杂山区设计并应用了高密度山地三维观测系统[1]，该三维技术在资料品质相对欠缺的复杂区域之内覆盖次数不少于450，最大覆盖密度大于100 万道 /km2，这一数值是当前国内寻常山地三维地震勘探20～30 万道/km2的5倍；综合该复杂山地断裂系统的特殊性，最终使断裂系统成像清晰完整，这一三维勘探技术就应该建立于在具有一定宽度的三维观测方位上，层断层上盘目的层的横纵向长度比大于0.7。总之，山地高密度三维技术在复杂山地勘探作业进程中的使用，在某种意义上使原始地震资料更具有高品质的特性，与此同时，地震剖面成像的品质也大大的提升档次。

三、基于计算机模型模拟的优化技术

总所周知，KL2工区列属于逆掩推覆高陡山区这一类别，与普通山地相比较，其地下结构是复杂多样化的，致使反射记录上的波场也是繁琐的。地震勘探人员为了明确反射波场出现的状况，对三维地震接收的方向进行深入的分析，在此基础上建设来KLZ构造的地质模型，启用了了波动方程模拟，旨在使了采集设计长期处于优化的模式中。这主要是因为在计算机的辅助下，三维勘探设计技术的CAPP程序从根本上得到调整，此时与复杂山地地震勘探相关的三维采集技术应用MBD规范参数建模，从而使分析模型实现了简化的目标，具体是指减少了信息输入量与数据转换的工作环节。

四、基于卫星遥感数据的三维勘探设计技术

翻阅KLZ山地三维采集技术方法论，在该论证体系中高精度卫星遥感矢量三维立体数据体资料使用率是极高的，这是卫星遥感数据在国际三维设计中的初次运用。卫星遥感数据的三维勘探设计技术在采集设计中在以下几个方面得到了广泛的应用：地震勘探者可以利用该三维技术在极短的时间内精确的对复杂山地全工区表层特征进行辨别，进而完成不同激发岩性分区划分的工作内容；利用卫星遥感矢量数据体整合资料品质图可以提前对复杂山地激发条件较差或者是障碍工区进行确定；此外这一三维设计技术也能为野外实际放样选线选点提供依据，此时勘探队在选线布点上达到一步到位。

结束语：通过对Kl.2山地三维地震开展勘探工作，此时一套适用性极强的复杂山地采集技术被研制出来，能够使三维静校正问题得到有效的处理，提高原始资料的信噪比，同时在气水界面能够发现平点现象，连续性以及断层清晰度都在较高的水平上，此时勘探人员在复杂山地中极为容易的发展细微的断层以及各类丰富的地质现象。因此专业人士普遍的认为KLZ山地三维地展勘探可以视为国内外复杂山地区最成功的山地三维勘探技术手段。

参考文献

[1]宁宏晓，胡杰，章多荣，尹吴海，张立军，王海立.柴达木英雄岭复杂山地三维地震勘探技术[J].石油科技论坛，2012.

[2] 赵绍广.复杂地区地震勘探的激发条件研究[D].吉林大学，2013.

三维数据采集 篇7

1 数码艺术与人体特征数据采集

人体数字化三维造型艺术设计的发展通常认为起源于上世纪60年代, 作为现代艺术设计的代表性人物乔治·开普斯和罗伯特·劳申伯等开始尝试数码艺术设计, 数码艺术设计随着现代计算机技术的发展, 逐渐形成独立的“数码艺术设计”学专业。数码艺术设计的特点是既要包含艺术的美学效应, 又要表现出通常绘画艺术难以表达的美学效应, 因此数码艺术产品往往具有华丽的必须形式、充满想象和奇幻的空间立体效应, 带给人一种视觉上的刺激和精神上的强烈震撼。数码艺术设计已经在现代电子游戏、动漫制作、影视特效以及广告产品设计中广泛使用, 数码艺术设计不仅是平面设计, 也包含立体设计, 如现代3D动漫大量借用了计算机设计手段。

艺术设计永远离不开社会和科技, 数码艺术设计也是随着现代社会及科技发展而诞生的, 借助于计算机数字化革命的到来形成的独特的艺术设计形式。因此, 数码艺术设计与以往的艺术设计不同, 其主体不仅仅是人类, 在人的能动思维下, 还必须借助计算机设计软件, 进行一个人机联动的全新的艺术创作形式。因此, 数码艺术设计实际上就是一个现代科技的多学科交叉的产物。③同以往的艺术设计主要要求设计者具备艺术创作能力和艺术鉴赏能力不同, 数码艺术设计还要求设计者要了解计算机数字化处理原理, 掌握计算机软件应用和超强的空间艺术想象能力, 才能够将数字化设计真正地与艺术美学结合, 创作出具有艺术震撼效果的数码艺术设计产品。但同时, 所有的艺术设计产品, 如传统的绘画艺术、雕塑艺术、摄影艺术产品等等, 都必须表现出艺术特质和灵魂, 因此, 数码艺术产品也不能丢弃传统艺术的表现形式和美学特性, 也必须遵循大众的艺术审美观, 尤其在人体数字三维造型艺术设计方面, 更要尊重人类自身的审美观和人类性别的差异特征。而要保证人体数字三维造型艺术设计的真实感, 就必须有来自人类活体的特征数据作为数码艺术设计基础。

在早期人体艺术设计中, 为了获得有关人体表面和立体的特征性数据, 艺术家开始从事人体生理解剖学研究, 通过测量死者的人体数据, 而将医学与艺术结合。在这方面达·芬奇和维萨利无疑做出了巨大贡献, 达·芬奇曾详细绘制了人体解剖学图谱, 并采用数学方法计算人体解剖学获得的人体特征数据, 丰富了和完善人体艺用解剖学。④因此, 在艺术设计的早期, 设计者采用的人体各种数据, 不论是人体表面还是内部的结构数据, 主要来源于人体解剖学。然而, 人体解剖学数据对于艺术设计而言, 存在一个致命的缺陷, 就是这些人体数据主要采自人类死亡后的人体特征数据, 由于人体死亡后的脂肪溶解、肌肉萎缩以及脱水等等因素的影响, 尸体缺乏人类活体的美感, 而且与人活体数据存在一定差距。随着现代科技进展, 人们为了弥补来自解剖学数据的不足, 开始尝试使用现代电子影像设备, 如摄像机等采集人类活体数据。这些数据可以很好地复制出模特者的表面特征, 但这些数据也存在一定的缺点, 那就是这些数据仅来自个别的“模特”, 虽可以代表一个个体的特征, 却不能反映人类男性或女性活体特征的普遍性。

2 电子计算机断层摄影采集人类活体数据

在20世纪末, 伴随计算机科学的发展, 现代医学检测技术也获得突破性进展, 其中最具代表性的成果就是现代可视医学的发展, 尤其是影像医学的飞速发展, 使得人们可以直接观察人活体表面的、活体内部结构以及人体深层次结构变化。作为现代可视医学的代表, 电子计算机断层摄影 (Computed Tomography, CT) 是现代最重大成果之一, CT是利用计算机数据处理功能与医学X线扫描相结合形成的现代数字化可视医学检测技术, 1969年由Hounsfield设计成功, 1979年因此获得诺贝尔医学生理学奖。CT的发展先后经历了平面CT以及三位立体CT的发展过程, 现代立体CT (多层螺旋) 已经广泛应用与医学人体结构观测中。⑤⑥CT的基本原理是利用X线具有穿透人体软组织能力, 既可以观察人体表面结构, 也可以观察人体内部组织结构, 同时利用计算机技术可以快速、大样本采集和处理数据能力, 再将采集的人体数据进行数字化处理, 通过精确的数据反映活体人体特征。⑦⑧⑨CT在医学诊断方面已经广泛普及, 然而, 使用CT采集人类活体平面及三维数据, 应用于现代人体数字三维造型艺术设计还是新的尝试。⑩

利用CT采集人体特征数据的优点是, 不仅可以测量人体的表面, 采集人体平面数据, 也可以通过多层螺旋CT观测机体结构获得三维立体数据, 通过计算机处理数据还可以大样本采集数据, 快速、自动化处理数据, 更具有科学性, 能真实反映人体特征数据。利用三维重建技术还能准确获得人体立体的特征数据, 而且可以精确测量至0.01mm, 并能够在人活体状态下观察人体内部结构特征。作为艺术设计工作者, 不仅需要平面观察和设计, 更要采用立体的方式进行艺术设计, 尤其是设计模拟人形产品时。现代影像医学CT为我们提供了一份不可多得的人体可视性医学与艺术观察相结合的工具, 作为可视性医学技术的代表——CT不仅能定量的、平面的观察和采集人体数据, 而且可以多角度、全方位、立体地观察人体和采集数据, 其精确的数据采集及三维重建技术优势为艺术研究开辟了新的手段。因此, 艺术不仅可与医学解剖学完美地结合, 艺术同样也可以与现代医学技术相结合, 利用现代医学技术作为基础创作出更为完美的模拟人类艺术作品。

3 CT采集人体数据的应用

模拟人形产品设计首先要保证“模拟”更具有“真实感”, 也就是不仅仅神似, 还要形似, 才会给观赏者带来“模拟”的“真实感”。为了评价CT在人体数据采集中的优点和科学性, 研究曾选择了40例健康自愿者进行人活体数据CT测量, 然后利用CT计算机处理系统对采集的人体数据进行分析, 再利用人体比例计算公式, 对人体特征性数据进行计算, 分析了男女性别在形体方面的差异。数据采集基本情况如下, 选取40例健康志愿者, 其中男、女各20例, 年龄从18岁到40岁, 全部志愿者的年龄平均为24.3岁。选取的20例男性健康志愿者身高平均为1735.50mm, 身高范围在1700mm至1760mm;选取的20例女性健康志愿者身高平均1628.00mm, 身高范围在1600mm至1660mm。数据采集以骨骼特征明显的部位为基点, 如手足、臂长及头部等, 研究结果发现20例女性健康志愿者头高与身高比为15%, 头高平均为243.7590mm;20例男性健康志愿者头高与身高比为13.2%, 头高平均为228.8075mm, 20例女性志愿者头高/身高比值与20例男性志愿者比较有1.8个百分点的不同。20例女性志愿者大腿长度/身高比值与20例男性志愿者比较也有高达1.6个百分点的差异, 如男性平均大腿长度占身高26.6%, 女性平均大腿长度占身高25%。男性与女性头高/身高比的不同, 以及男性与女性腿长/身高比例的不同, 可能是男女体格特征差异的重要表现。这种骨骼特征的明显差异, 更科学地阐述了男女性别差异造成的人体特征差异, 也为人体艺术设计男、女模拟人形产品形态差异提供了重要的科学依据。因此, 利用CT采集人活体数据, 不仅可以大样本采集, 而且更精确、更科学。

人体造型艺术设计已广泛应用于动漫、电子游戏及影视中, 为了增加视觉欣赏效果, 现代人体造型艺术更多地使用了三维人物造型设计形式。三维人物造型艺术设计需根据应用的目的进行相应的艺术设计, 如影视作品中的三维成像人物设计, 通常要根据影视作品的内容需要, 首先要进行美术创作 (绘画等) , 然后才利用计算机进行人物造型设计。随着现在立体电影的大范围普及, 为了使影片能够真实地反映目标人物, 影视制作已经开始规范和要求在人物设计方面, 需要对造型进行写实化、再结合艺术设计进行人物作品创作。因此, 现代影视作品展示给人们的是具有真实感和震撼视觉的艺术写实效果, 其中代表性作品有《贝奥武夫》。此影片在之中方面, 可谓已经可以做到以假乱真的完美视觉效果, 角色已经让人无法分辨是动漫作品还是真人演出, 这就是现代计算机技术与艺术医学相结合的代表性作品。而且现代影像医学CT在精确测量以及多方位观察人体方面更具有得天独厚的优势, 如果能够把CT采集的大量人活体数据应用于模拟人形产品设计中, 必将带来更为真实的视觉效果。

摘要：三维人体造型艺术产品是结合人体生理学特征, 通过数字化手段设计的模拟人形艺术产品, 是现代艺术设计手段与人体生理学完美结合的产物。而精确地、数字化人类活体表面和内部结构特征, 则是三维人体造型艺术产品能否真实反应人类自然美的关键。本文仅就电子计算机断层摄影 (Computed Tomography, CT) 采集人类活体特征数据, 用于三维人体造型艺术产品设计的可行性、优点和应用情况做一叙述。

三维数据采集 篇8

传统二维图像技术因某些三维暗示(3D cue)缺失而无法准确表达各个物体之间的三维空间关系,难以让观察者体验真实的三维深度信息和完整的表面特性;而真三维技术通过赋予被采集场景中每个三维像点真实的表面特性,在三维空间中进行模型渲染和显示,使人们通过双目视差、移动视差等三维暗示对正在观察实际对象产生三维感知[1,2,3,4,5,6,7,8,9],因而一整套从采集(输入)端到显示(输出)端的真三维显示系统能够给观察者提供完备的心理和生理三维感知信息。其中采集方式主要分为主动和被动式采集[6]:主动式采集一般引入主动光投影增强被测表面上的特征[6];而被动式采集往往针对被采集物体的光场信息,以相机阵列等形式获取对象多视角图像[6];显示的方式主要分为体显示、多视显示:体显示在三维立体介质空间上点亮物体三维模型对应的点,使多个观察者能同时观察到实际的被渲染物体[1,2];多视显示一般基于特殊构造的面显示屏幕,将不同视点的图像沿着各自视点应被观察到的方向重叠投影至同一屏幕,屏幕将其分解重组后形成真实场景中物体被光照射后的散射光场[3,4,5]。

1系统结构设计实现

1.1系统原理

本文提出的真三维端到端系统在输出端为观察者提供渲染自真实物体的裸眼真三维图像,主要利用了纵向散射介质(Vertical Diffusion Only Medium,VDOM)各项异性散射的性质,输出端投影阵列中多个投影单元将被渲染对象在不同角度采集到的多幅图像重映射后叠加投影到同一个VDOM屏幕上,利用屏幕的特性形成真实场景中物体被光照射后的散射光场,使观察者通过双目视差和移动视差产生对被渲染图像的三维感知。对于VDOM,光线经过其在水平方向仅有很小方向(1°左右)的散射,而在垂直方向有60°∼90° 左右的散射,以此可以建立VDOM的投影光线散射模型[6,10]:

依据式(1),通过合理安排投影阵列中投影单元位置可使观察者在不同地方观察到不同的图像[11,12],从而产生水平移动视差和双目视差。

1.2系统硬件模块设计实现

1.2.1采集阵列硬件模块

采集阵列采用基于相机阵列的被动式三维采集方式对物体或场景进行多角度采集,每个采集单元由包含CCD相机的树莓派(Raspberry Pi,Ras Pi)嵌入式处理单板构成。单个Ras Pi可支持最高30 f/s,720 p分辨率的图像采集[13]。各个模块之间和PC通过千兆交换机以TCP/IP或UDP协议进行数据互联,将采集到的三维数据传输到主机进行预处理等,采集端部分硬件如图1(a)所示。

1.2.2显示阵列硬件模块

显示阵列采用基于投影阵列的多视真三维显示技术进行三维图像渲染,整个采集阵列如图1(b)所示。 为了使系统更加紧凑,我们采用广角镜头(Wide Angle Lens, WAL)对单个投影单元的光路进行了扩展。如图1(c)所示,在投影光程不变的情况下增加了投影面积;同时采用反射光路的方法使投影仪在VDOM下方有限空间内背向投影到VDOM上。

1.3软件模块设计实现

1.3.1图像重映射模块

依据前述VDOM的工作原理,叠加图像经过VDOM的调制,以图像纵列为单位进行重组。而图像重映射模块即通过建立被渲染对象和观察者所在空间的联系,建立投影图像的重映射关系,对采集到的图像序列进行正确的多视真三维渲染[6,10]。图2建立了渲染对象和观察者所在空间的位置关系,人眼中心Oc和投影镜头中心Op分别位于VDOM平面两侧。由图2(a)的侧视图中可知真实物体两个上端点P1、P4应该被渲染于屏幕的P2、P3处。此时对于观察者和投影单元,被渲染物体(以P1、P4两点为例)的比例分别通过角度以式(2)表达:

此时两者之间的尺度存在一定的差异,如果直接渲染将会造成y方向归一化坐标的失真[6,10]。本系统将投影中心的高度设置在和观察者眼睛高度相同的位置,即令,从而得到两者在y方向上高度的差异补偿系数κy;对图2(b)x方向情况可进行类似的分析:

实际渲染物体时,遍历所有的观察点(xi,Oc,yi,Oc,zi ,Oc),根据式(3)求出对应投影仪应投影的被渲染图像位置[6,10]。

1.3.2校正模块

在不考虑镜头本身成像质量的情况下[14],采集阵列中每个采集单元对同一场景进行采集或者投影时, 因为所处位置不同,采集或投影的图像会在公共面上产生失真。以显示端投影失真为例,图3中(a)1,2, 3,4四个四边形分别为不同位置投影仪朝同一区域投影的成像区域,校正后使其互相重合且都与矩形屏幕重合[15,16]。在采集端的校正中,所有采集单元采集到的全分辨率图像被映射到含有被拍摄物体的公共重合区域上;而在显示端的校正中,所有投影单元将全分辨率图像映射到含有显示屏幕的公共重合区域上,此时待处理的图像分辨率相对原始采集图像有所降低,这样在采集端和显示端可以只传输和处理最终会被投影到屏幕上的有效数据,而边缘无效数据直接置零,减少了数据的处理量。

使用计算机视觉库Open CV中的相关函数[17],投影棋盘格校正图像于屏幕上。使用摄像头获取发生投影失真的棋盘格图像的角点位置,通过与原始棋盘格角点位置以及计算出的棋盘格在不失真情况下应该被投影到屏幕上的位置逐一对比,求出造成投影失真的投影畸变参数矩阵Mprj,再对投影图像施以反投影畸变参数矩阵M-1prj即可抵消投影失真带来的影响。整个校正过程如图3(b)所示(只以四个投影单元的校正情况为例)[10],校正时采用专门的均匀散射屏幕替代VDOM显示棋盘格图像,以便使所有投影单元投出的图都被固定在同一位置的摄像头捕获,该过程同样适用于采集端的校正。若(Xj,Yj)和(Uj,Vj)分别为校正前后图像上第j个像素的坐标,整个校正过程相当于重新调整图像中每个像素的位置[15,16]:

其中cij为畸变参数矩阵中各个元素的值。式(4)中的算法在计算校正过程时共需要使用八次加法,两次次乘法(乘以被除数的倒数)运算。除了采用在C++程序中混合汇编的方法提高程序运行速度外,我们使用查表法仅在每个投影单元第一帧按照式(4)进行校正计算,并将每个像素在式(4)中计算的结果保存在内存中,对于后面每帧图像通过索引赋值代替乘加运算[15]。基于此分别使用C++和汇编实现的查表法相比于式(4)的原始方法,时间消耗对比如表1所示。由于算法耗时和待处理图片分辨率和硬件配置有关,为便于比较以节约时间的百分比进行对比。

1.3.3图像采集模块

图像采集模块主要负责控制采集阵列中所有采集单元同步采集物体或场景多角度数据,转换格式后通过TCP/IP或UDP协议传输到主机上进行处理。采集单元之间的角间隔度数和采集单元数目与显示端投影阵列中的投影单元对应。其中Ras PI单元配置百兆网卡,PC端配置千兆网卡,所有Ras PI和PC通过千兆交换机以千兆传输的标准进行物理互联。Ras PI提供API将摄像头采集的图像以YUV420格式送入板上内存中。程序中接收线程获取摄像头采集到的图像,并对数据进行封装、分包、压缩,确保整个传输过程的稳定。目前显示端显示速度经过校正等处理后无法跟上采集端的全速采集速度,故还增加了主动掉帧处理防止整个程序由于瓶颈处的数据堆积造成的卡死现象。

2实验结果

图4为该系统实时采集到的图像序列和显示的三维场景在不同视点观察到的图像(平台测试包括30个视点,限于篇幅,仅给出其中10个视点的测试结果):其中系统采集端和显示端视点数目共30个,间隔1.5°,观察距离在1.5∼1.2 m。系统采集端Ras PI单元最高采集速度30 f/s,采集端图片最高分辨力720 p, 校正后图像更新速度5∼10 f/s左右,只取校正后采集图像中有效场景区域数据进行传输,分辨力在500×500左右,故单幅YUV420格式彩色图像大小为0.36 MB(500×500×3/(2×1 024×1 024)MB);所有视点每秒传输到PC端的数据不高于110 MB(0.36 MB ×30×10);显示端将数据校正后图像更新速度2∼5 f/s左右。

忽略屏幕亮度对图片拍摄的影响,本系统很好的将采集端的图片序列经过重映射后以多视真三维显示的方式渲染出来,且可使人眼左右看到相邻的两个视点的图像,保证了双目视差的三维感知效果;人眼水平移动时也可以像观察实际物体那样观察到屏幕上被渲染物体视角的水平变化。我们分别选取了1.0°,1.5° 的角间隔作为对比,如图4(b)所示。

从被采集模型的细节可以看出,当角度间隔变小时,图像细节会因为视点间更加平滑的过度变得清楚, 但整个图像的变化范围会变小。因此具体角度间隔的选取根据实际显示时的侧重进行选择。

3结论

本文建立了一种端到端的真三维系统平台,在输入(采集)端采用基于相机阵列的被动式采集方式对物体或场景进行采集;在显示端采用多视真三维显示的方式对采集的图像进行保留纹理、色彩的渲染。整个系统将三维采集技术和真三维显示技术结合起来,通过软、硬件模块的设计,实现了这种真三维端到端系统的硬件平台,验证了建立三维数据从采集到显示这条重要数据链的可行性和有效性。

三维数据采集 篇9

大数据时代, 促进城市规划管理信息化成为新时期规划管理部门的重点方向, 与单纯强调数字化和政府内部管理信息化的数字城市不同, 大数据指导下的智慧城市阶段, 信息化建设是促进规划科学发展的重要途径, 通过综合运用现代科学技术、整合信息资源、统筹业务应用系统, 逐步加强了城市的规划、建设和管理。

新型城镇化建设的背景下, 城市规划更趋于精细化管理, 随着三维可视化技术与虚拟现实技术的发展, 三维模型被越来越多的应用于城市空间的模拟与分析, 但相关工作多为倚重测绘专业的现状建模, 与规划的结合仍显薄弱, 要实际应用于规划的编制与管理, 需从标准层面予以统筹。

二、南京规划视角下的具体实践

南京市近年启动了三维城市设计管理平台的建设工作, 作为前期工作基础, 确保未来城市三维模型为城市规划管理提供有效的数据支撑, 实现城市规划管理要素在三维空间中的数据展现, 南京市规划局正式启动了基于规划管理角度的《南京城市三维地理信息模型数据规范》建设。

1、总体思路

(1) 基于城市设计及规划管控分析需求, 进一步明确三维模型数据对城市规划管理的数据支撑

通过分析城市设计管控需求、城市规划管理需求以及三维GIS平台城市设计数据结构对模型数据的要求, 与三维现状模型数据标准的相关要素进行衔接, 通过对各相关要素进行分析, 分别以地物类数据 (含定形、定位) 及属性类数据 (含定性、定量) 的形式进行表达。

(2) 统筹近远期工作及现状与规划的需求, 形成统一的三维数据标准体系

《南京城市三维地理信息模型数据规范》在《城市三维建模技术规范》 (CJJ/T 157-2010) (国家住建部) 、《三维地理信息模型数据产品规范》 (CH/T 9015-2012) (国家测绘局) 等国标的基础上, 考虑南京地方特点, 结合城市规划管理需求进一步优化, 以保证后续城市三维地理信息模型数据的建设能够快速有效地为城市规划的编制与管理提供支持。

标准重点强调地段级与地块级管控要素, 协调解决与现状数据成果的结合, 同时还与管理工作重点的结合。

(3) 明确城市规划管理要素在二、三维空间的实现形式, 强化三维空间属性及规划指标的建设

通过将三维模型建立与基础地理信息GIS库或规划、城市设计等GIS库中对相同要素的关联关系, 把属性项及内容引入到三维模型中, 三维模型要素中保留属性结构, 内容根据需要选填。

三、具体内容及实践探索

1、模型分级的优化调整

对接国标, 结合实际规划管理需求, 确定模型的四级分级, 进一步调整并优化适用范围。其中:

LOD1超精细模型标准高于国标一级 (兼顾BIM及日照模型需求) 、LOD2精细模型标准对应国标一级、LOD3基础模型对应国标三级、LOD4框架模型不低于国标四级。

同时, 为更好的辅助实现精细化的城市管理, 针对不同的模型等级, 通过一定的技术手段阶段解决分层分户的表达和应用问题, 可以大大提高城市管理的效率和精准性。

2、规划管理要素与测绘标准的分类衔接

根据城市设计与城市形态研究需求, 结合实际管理需要, 并参照测绘专业分类, 将城市规划管理要素划分为:地形、建筑 (含地下建筑) 、交通 (含高架、地下路) 、水系、绿地绿化、广场及场地、管线及地下空间设施、其他共八大类, 并将各要素分别通过图形与属性两种形式予以表达。建议地下建筑、地下交通等不同的地下构筑物归入建筑要素、交通要素等相应的地物分类中。

3、三维地理信息模型中规划要素的属性规定及单元划分

从城市规划管理数字平台支撑数据需求的角度出发, 全面融合规划编制、管理的需求, 在现行标准的基础上增加城市设计、城市形态研究、规划管理相关需求, 分定形、定点、定量、定性四种方式明确规划管理信息在模型中的表达, 将需定性、定量的要素, 通过属性挂接的方式予以表达。

建模单元划分为“区划-编制单元-作业单元”三级, 其中第二级编制单元级, 充分利用控规的规划编制单元边界, 涉及与区划边界范围不同区域, 则以控规编制单元作为基础, 结合区划于第三级进一步细分, 如河西北部NJZCc010编制单元, 跨鼓楼及建邺两区, 则于建模单元划分时, 将其在NJZCc010的范围基础上, 进一步拆分为两个单元范围进行建模。同时, 保证建筑物编码的唯一性, 统一由32位字符组成。

四、结语

城市三维模型数据标准是建立三维地理信息系统、实现三维城市信息化与规划管理精细化的重要基础, 本文试图将三维数据标准与规划管理需求进行有效融合, 尝试在大数据建设应用的趋势下, 建立符合城市空间管控所需要的地理信息集成管理, 这涉及到数据的采集、编辑、整合及展现形式等一系列问题, 未来在城市三维空间的信息化管理中, 将有更多的应用模型分析。通过GIS系统对接、“数字城市”建设、三维系统等新技术支撑, 建立一套实用的数据建库管理及更新程序, 研发二三维一体化的城市模型系统和辅助决策系统, 初步建立与规划管理系统的衔接。辅助提升城市空间综合分析能力, 提高城市规划管理水平和效率, 作为“智慧规划”、重要的组成, 为精品规划、科学管理提供有力的技术支持, 进一步促进城市规划管理的精细化。

摘要：结合南京市城市规划管理工作, 从管理需求、实现形式以及数据支撑三个方面入手, 通过理论与实践的衔接, 指导模型数据标准的建设, 将现状与规划信息相结合, 有效提高城市三维地理信息模型在规划管理中的应用, 进而提高城市规划管理的精细化水平与工作效率。

三维数据采集 篇10

逆向工程中物体的三维测量、三维建模技术越来越受到学者的广泛关注和研究。目前, 三维物体表面测量系统均以P C机为核心, 利用计算机强大的处理性能和通用的硬件接口设计特定的图像采集卡, 但系统的体积大、价格高、灵活性差, 甚至这种系统不适合一些特殊测量要求。

本文利用T M S320C6713和O V 7721设计了一个新型的嵌入式三维点云采集与传输系统, 在DSP中嵌入式T CP/IP协议栈L w IP , 实现了采集数据的远程传输。由于采用DSP为核心的嵌入式系统取代了计算机, 使得本文设计的图像采集处理系统具有体积小、成本省、功耗低的特点, 能够很好的解决目前三维物体表面测量系统体积大、成本高等在实际应用问题, 具有显著的社会经济效益和广阔的应用前景。

2 系统设计

原三维物体表面测量的系统结构图如图1所示[1,2], 图像采集卡安装在计算机中, 摄像机和投影仪分别由计算机控制, 改进后三维物体表面测量的系统结构图如图2所示, 原来分离的摄像机和投影仪被本文设计的嵌入式三维点云数据采集与传输系统代替。本系统以DS P为核心, 在测量过程中, CM O S摄像头采集的图像通过DSP进行相应的处理, 通过以太网模块传送给计算机进行点云的显示及处理, DS P还能控制V G A产生正弦光栅, 可以实现一台计算机连接多套系统, 给测量带来了极大的方便。

系统总体功能框架如图3所示, CM O S传感器采集的图像数据经过F IF O缓冲后暂存于R AM , 图像处理模块主要实现对这些图像数据的滤波、保存为J P G格式的图片。经过处理的图片可以按顺序存储到R O M中, 同时经过以太网发送给测量计算机。由于可以将图像存储于R O M中, 这样对以太网的传输速度的要求大大地降低了。

2.1 DSP芯片的选择

本文设计的系统中, DSP是核心器件[3,4,5], 在选择是主要考虑以下几个方面:

1、 定点与浮点DSP, 浮点DSP运算精度高, 动态范围大, 而定点DS P容易出现溢出。

2、 速度的要求。衡量速度的指标为M O PS, 即每秒百万次操作或P IP每秒百万次指令。

3、 性能指标。主要是指令执行速度 (M IPS) 。为确保整个系统的性能, 图像处理要求DS P处理系统必须在限定的时间内完成任务, 或者在允许的输出一输入相应迟延范围内, 系统的数据输入/输出吞吐率必须达到一定速度, 因此要求能够在20m s内完成对一张图像的处理。

4、 厂商的技术支持。DSP本身比较复杂, 如果厂商能够提供完善的开发调试工具, 无疑将大大减少产品的开发时间和开发难度。

基于上述几点考虑, 本系统选用了IT公司C6000系列中的T M S320C6713 DSP作为系统的核心芯片。

2.2 CMOS传感器芯片的选择

本课题中的另一个关键器件是CM O S数字摄像头, 拟采用数字摄像头采用30万像素的O V 7721 CM O S传感器芯片[6,7], 摄像头可以采集并输出最大V G A (640X 480) 分辨率的图像或视频, 具有以下特性:

1、 在低光下具有高灵敏度。

2、 标准的串行接口控制总线SCCB接口。

3、 输出数据格式支持:R aw R G B 、R G B (G R B 4:2:2, R G B 565/555/444) 和Y Cb Cr (4:2:2) 。

4、 输出图像分辨率支持:V G A、Q V G A以及到CIF的任意大小支持画中画模式。

5、 自动增益控制、自动曝光控制、自动白平衡控制、自动空白填充、自动背光补偿等。

6、 图像质量方面支持色彩饱和度、色调、边缘增强等。

7、内部数字图像处理可以实现消除噪点、瑕疵改正。

8、镜头阴影修正, 边缘增强水平自动控制, 消噪水平自适应, 具有帧同步能力。

3 基于Lw IP的以太网图像传输子模块模块设计

本系统设计另外一个重要部分是以太网传输子模块, 该模块中采用E N C28J 60, 该芯片具有以下特点:符合IE E E 802.3标准, 内置10M bps以太网物理层器件 (PH Y ) 及媒介接入控制器 (M AC) ;可编程过滤功能, 特殊的过滤器包括可编程模式匹配过滤器, 可自动评价、接收或拒收M ag ic Packet的单播、多播或广播信息包, 以减轻主控单片机的处理负荷;最高速度可达10M B /s的S P I接口;可编程8K B双端口SR AM缓冲器, 以高效的方式进行信息包的存储、检索和修改, 以减轻主控单片机的内存负荷。

硬件电路连接如图4所示, 在O SC1和O SC2引脚间连接25M H z晶振及接地电容以满足E N C28J 60工作频率的要求。由于E N C28J 60的内部模拟电路的需要, 在R B IAS引脚与地之间外接一个2kW的电阻。以太网变压器H R 911105A具有2k V以上的电压隔离性能, 以防止静电干扰。E N C28J 60与DSP连接采用SPI方式。

在软件方面, 采用L w IP嵌入式T CP/IP协议栈。由L w IP协议栈组成的嵌入式以太网系统一般由应用层、操作系统、L w IP协议栈、网络驱动几部分组成, 如图5所示。

L w IP分别通过操作系统模拟层和硬件模拟层为操作系统和硬件驱动提供统一接口函数要求。操作系统对L w IP不是必须的L, w IP协议栈在无操作系统的情况下也可以工作。操作系统一般采用实时嵌入式操作系统m C/O S-II。对于L w IP的移植, 主要包括与操作系统内接口的系统模拟层和与具体网络硬件接口的网络驱动层两部分工作E, M ACInit () 为网络芯片初始化, 每次发送数据包前先调用E M ACO utputL en () , 设置发送数据包长度、起始地址, 然后调用E M ACSend Packet () 将存放在pbuf链表中的数据写入芯片并启动发送, 每次接收数据包前调用G et In P utP acketL en () 获得要接收的数据包, low_level_input () 函数根据获得的长度来申请pbuf, E M ACR ead Packet () 读取芯片中的数据。

4 实验结果

采用本文设计的系统对人手模型进行了三维测量, 测量结果如图6所示, 在测量过程中, 分别产生了黑白及1/2n (n= 1, 2, …, 10) 周期的正弦光栅序列, 采集的图片序列为 (a) , 利用Surface处理后的结果为 (b) 。图片尺寸为1280× 960, 大小为3.51M B , 系统传输完整个采集序列的时间大约是30秒, 传输到计算机的图片序列数据完整, (b) 图重构的效果看, 基本与原系统基本一致。所以, 该系统完全可以代替原有的系统, 达到很好的测量精度。

5 结束语

本文利用T M S320C6713和O V 7721设计的新型的嵌入式三维点云采集与传输系统, 在D S P中嵌入式T CP/IP协议栈L w IP , 实现了采集数据的远程传输。试验结果表明, 该系统的引入, 使原有的三维测量系统的灵活性有了很大的提高。

摘要：本文利用TMS320C6713和OV7721设计了新型的嵌入式三维点云采集与传输系统, 在DSP中嵌入式TCP/IP协议栈LwIP, 实现了采集数据的远程传输。文章的最后给出了实际测量结果, 验证了该系统的性能。该系统的引入, 使原有的三维测量系统的灵活性有了很大的提高。

关键词：LwIP,TMS320C6713,三维点云数据

参考文献

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[4]武颖.基于DSP的图像采集与处理系统的设计[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2009.

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