導(dǎo)語：如何才能寫好一篇三維掃描，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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[關(guān)鍵詞]參考點、掃描測量、三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)

中圖分類號：TH74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1009-914X（2014）18-0374-01

汽車工業(yè)是當(dāng)今世界上最大的制造業(yè)之一，隨著市場需求的改變，汽車的更新?lián)Q代速度日趨加快，其設(shè)計、制造速度的快慢直接制約著汽車工業(yè)的發(fā)展，由此而提出的逆向工程在汽車工業(yè)中的應(yīng)用將大大地促進(jìn)汽車制造業(yè)的發(fā)展。逆向工程技術(shù)可以通過掃描測量獲取實物外形坐標(biāo)點、重建實物的三維數(shù)字模型。在此基礎(chǔ)上可以方便地進(jìn)行模型再設(shè)計、快速原型制造與快速模具制造等后續(xù)工作，從而大大節(jié)省研發(fā)時間，縮短設(shè)計周期。

1、三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)工作原理

三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)由左右兩個高分辨率的工CCD相機和中央光柵投影單元組成，采用結(jié)構(gòu)光測量的方式， 由光柵投影單元將一組具有相位信息的光柵條紋投影到測量工件表面，左右兩個相機進(jìn)行同步的測量， 利用立體相機測量的原理，可以在1 秒時間內(nèi)準(zhǔn)確獲得500萬到 800萬個高密度的三維數(shù)據(jù)點；自動識別參考點和自動拼接，將不同位置和角度的測量數(shù)據(jù)對齊在統(tǒng)一的坐標(biāo)系，獲得完整零件的掃描結(jié)果。

2、三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)掃描測量汽車工件的前期準(zhǔn)備

三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)通過每次（第一次除外）自動將掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合并統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，實現(xiàn)完整的工件三維點云數(shù)據(jù)。因此，為保證單幅掃描的點云能精度較高地拼合在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，需要對固定參考點提出一定的要求。

2.1 固定參考點的要求

參考點粘貼于被測工件表面或被測工件周圍。粘貼參考點的直徑大小要合適，必須保證從斜的透視圖中能看到參考點的直徑范圍內(nèi)至少包含6～10個像素，以便ATOS系統(tǒng)進(jìn)行識別。在工件的掃描測量過程中，為保證兩個CCD鏡頭的單幅測量能以較小的拼合偏差合并到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，兩個CCD鏡頭的單幅照片應(yīng)至少能看見前面已經(jīng)標(biāo)識過的3個固定參考點（第一張照片除外）；若能看見4個或更多已經(jīng)標(biāo)識且不在一條線上的參考點時，掃描測量系統(tǒng)的自動拼合精度會更高，建議最好有4個（或更多）公共參考點，這樣精度才會高，否則測量后期誤差會很大。

3、掃描測量方式

1）工件在掃描測量范圍內(nèi)。這種掃描測量方式可保證在單幅掃描中能清楚地看見已識別的3個及更多的參考點，容易保證拼合精度。

2）工件尺寸比掃描儀掃描測量范圍大，又沒有使用Tritop相機。采用這種掃描測量方式時，通常被掃描工件比ATOS掃描儀的掃描測量范圍大2～3倍，并要求參考點有較好的分布。從被掃描工件的中部開始向兩邊掃描測量。

3）工件尺寸大，ATOS掃描儀配合Tritop相機使用。首先通過Tritop照相系統(tǒng)獲取參考點坐標(biāo)值：先拍比例尺和參考點；移開比例尺和編碼參考點后用ATOS掃描儀單幅掃描。系統(tǒng)能精確地自動將單幅掃描合并到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，測量精度高。

4） 工件自身遮擋，利用單眼掃描。采用這種掃描方式前需要標(biāo)定，首先打開投射光源，將白色平板放在標(biāo)準(zhǔn)距離上，調(diào)整光強掃描白色平板；然后把設(shè)備與白色平板靠近些，再調(diào)整光強掃描白色平板；最后把設(shè)備與白色平板離遠(yuǎn)些，再調(diào)整光強掃描白色平板，計算，完成標(biāo)定過程。需要特別注意的是兩個CCD相機都要完全看到白色平板，否則不能進(jìn)行單眼掃描。

4、整車測量思路

對于整車應(yīng)該采用掃描儀配合Tritop相機來測量。結(jié)合我公司三位光學(xué)掃描測量系統(tǒng)對掃描對象的要求，采用直徑為5mm的參考點。

1）根據(jù)汽車對稱性，選擇較好的一側(cè)（一般是左側(cè)）進(jìn)行完整測量。汽車左側(cè)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的一側(cè)。測量前先定好哪些特征是完全對稱，掃描時要特別留意。

2）為了保證填充參考點質(zhì)量，在粘貼參考點時要注意避開有特征的區(qū)域及一些工件的邊緣；參考點數(shù)量要盡可能多一些，保證在560mm×420mm范圍內(nèi)有6～9個參考點。

3）測量前先選擇貼7個（或者>7個）不同長、寬、高位置的參考點，來保證最后測量坐標(biāo)統(tǒng)一到車身坐標(biāo)系。

4）測量過程中對于完全對稱的，可完整掃描一側(cè)，另一側(cè)按要求掃描；對于有所區(qū)別的對稱，應(yīng)該完整掃描不同的地方。

5）測量完，認(rèn)真檢查點云文件的完整性。將測量好的數(shù)據(jù)進(jìn)行三角化處理。

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關(guān)鍵詞：三維激光掃描；文物考古；點云；數(shù)字線劃圖；模型

中圖分類號：K85文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，是20 世紀(jì) 90 年代中期出現(xiàn)的一種以三維激光掃描儀和掃描信息處理技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，其革命性的數(shù)據(jù)采集方式開創(chuàng)了面式數(shù)據(jù)采集的新紀(jì)元，因其滿足了文物考古測繪領(lǐng)域非接觸、高速度、高密度、全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集要求，在短短幾年時間內(nèi)迅速在考古發(fā)掘、古建筑測繪等文物保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

（一）工作原理

三維激光掃描技術(shù)，通過內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射出的激光脈沖掃過被測目標(biāo)，信號接收器接收來自目標(biāo)體反射回來的激光脈沖，通過每個激光脈沖從發(fā)出到被測物表面返回儀器所經(jīng)過的時間可以獲得被目標(biāo)體到掃描中心的距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動解算得出被測點的相對三維坐標(biāo)（云點），進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型。

（二）三維激光掃描技術(shù)的特點

非接觸式

三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式高速激光測量方式，不需反射棱鏡，直接對目標(biāo)體進(jìn)行掃描，采集目標(biāo)體表面云點的三維坐標(biāo)信息。在目標(biāo)危險、環(huán)境惡劣、人員無法到達(dá)的情況下，傳統(tǒng)測量技術(shù)無法完成，此時三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢明顯。

數(shù)字化程度高、擴展性強

三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號，具有全數(shù)字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示。而且后處理軟件用戶界面友好，能夠與其它常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接數(shù)碼相機、GPS配合使用，拓寬其應(yīng)用范圍，具有較好的擴展性。

高分辨率

三維激光掃描技術(shù)可以進(jìn)行快捷、高質(zhì)量、高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的。

應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強

由于其良好的技術(shù)特點，在工程建設(shè)各領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛。對使用條件要求不高，環(huán)境適應(yīng)能力強，適合野外測量。

三維激光掃描在文物考古中的實施步驟及應(yīng)用成果

（一）實施步驟

三維激光掃描作為一種獲取三維空間信息手段，其工作流程與傳統(tǒng)的測量手段有很多的相似之處但也有其自身的特點。主要過程和技術(shù)要點如下圖所示：

圖 三維激光掃描工作流程圖

（二）應(yīng)注意的問題

1、現(xiàn)場踏勘時，認(rèn)真分析現(xiàn)場地形、地物分布特點，合理設(shè)置掃描站點，盡量的避免掃描盲區(qū)的出現(xiàn)，重點保證重要的地形、地物不會在盲區(qū)中出現(xiàn)。 

2、對古建掃描時，建議對不同的部分采用不同分辨率掃描。比如對地面或者表面平整的墻壁，天花板等可采用較小的分辨率（一般情況下2cm）。但對于體形較小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)建要用相對密集的點云表示（毫米級），有時候要用最大掃描密度來掃描（比如對分布在帶有浮雕的墻壁、柱子等）。 

3、使用外置相機系統(tǒng)拍攝照片時，可以在掃描之前自然光線較好的條件拍攝，因為可能在掃描完畢后，為時已晚或遇到下雨天氣等情況，耽誤了拍照的時機。拍照時可設(shè)置自動包圍曝光，每個場景有三張照片：當(dāng)前曝光值照片、正補償值照片、負(fù)補償值照片，然后內(nèi)業(yè)在作選擇。

（三）應(yīng)用成果

1、點云數(shù)據(jù)

代表掃描對象的一個個“測點”形成的“點集合”構(gòu)成了三維激光掃描最原始的成果，稱為“點云”。點云雖然經(jīng)過了掃描算法的處理，但相對于傳統(tǒng)單點式測量方法所具有的高密度和全息化的特點，可作為原始資料進(jìn)行存檔。同時，點云作為掃描對象的全數(shù)字化實景模型，可實現(xiàn)室內(nèi)的真實量測。在考古挖掘的不同階段，對挖掘現(xiàn)場進(jìn)行掃描，可實現(xiàn)考古挖掘行為的動態(tài)化管理和考古過程數(shù)字化再現(xiàn)。在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，借助于高精度的地面控制網(wǎng)，可實現(xiàn)文物建筑遺產(chǎn)的連續(xù)性掃描監(jiān)測。

2、二維數(shù)字線劃圖

二維數(shù)字線劃圖是文物保護(hù)工程領(lǐng)域所習(xí)用的工程語言，三維激光掃描系統(tǒng)為繪制不同部位、不同方向的二維數(shù)字線劃圖提供了強大的繪制功能，使處于前端的文物測繪調(diào)查工作和后續(xù)的保護(hù)規(guī)劃制定、修繕工程設(shè)計、施工等實現(xiàn)了無縫對接。二維線劃圖的繪制根據(jù)測繪對象的特點可以采用下述幾種技術(shù)路線實現(xiàn):

（1）對于局部構(gòu)件的繪制，直接在點云上量取繪圖所需要的長、寬、高數(shù)據(jù)，然后借助繪圖工具繪制二維圖；

（2）對于剖面圖等截割投影圖，根據(jù)繪圖部位和繪制精度形成繪圖區(qū)域的點云“切片”，將點云切片導(dǎo)入 AUTO-CAD 等圖形繪制軟件形成二維線劃圖；

（3）對于空間關(guān)系不明顯、不易識別的測繪對象，借助高分辨率照片形成被測對象的正攝影像，然后繪制二維線劃圖。

二維線劃圖是對被測對象高度抽象化的結(jié)果，抽象的過程不可避免地造成了大量信息損失。實際上，在許多情況下二維線劃圖無法完整表達(dá)邊界模糊對象的真實情況，如出土器物、建筑紋樣、彩畫、淺浮雕等。作為二維線劃圖的重要補充表現(xiàn)方式，基于三維激光掃描點云形成的正攝影像圖消除了一般相片所固有的投影誤差及高程誤差，同時又兼具普通相片高分辨率、易于辨識的優(yōu)勢，較好地解決了“邊界模糊類對象”難以精細(xì)化表達(dá)的難題。利用這一特點，可實現(xiàn)“邊界模糊類對象”的數(shù)字化監(jiān)測。譬如，通過比對不同時間段內(nèi)壁畫的高清晰正攝影像圖，可精細(xì)地描述壁畫顏色、形態(tài)等的變化。

高程模型和三維模型

對雕像等這類由連續(xù)曲面構(gòu)成的測繪對象，以等值線的形式表現(xiàn)的數(shù)字高程模型是其最基本的表現(xiàn)方式。相對于以往全站儀單點測繪，三維激光掃描技術(shù)高密度點云實現(xiàn)了等值線精細(xì)測繪和三維建模。

此外，由于三維激光掃描結(jié)合傳統(tǒng)控制測量可以較容易得到點云統(tǒng)一的地理坐標(biāo)屬性，據(jù)此建立的三維模型可很方便實現(xiàn)被測對象的三維漫游。

4、平面圖、立面圖、剖面圖

建筑物的線畫圖作是傳統(tǒng)建筑測繪的成果之一，是建筑物的測繪圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖。這些二維的圖件可以表示房屋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造形式、分層情況，說明建筑物的長、寬、高的尺寸，地面標(biāo)高，層頂?shù)男问?，門窗洞口的位置和形式，外墻裝飾的設(shè)計形式和各部位的聯(lián)系、材料及其高度等。傳統(tǒng)的測量方法是手工描繪加皮尺測量。利用點云數(shù)據(jù)，可在Auto CAD中利用Cloud worx插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面和剖面圖。不但生產(chǎn)速度大大提高，且更簡單，能讓現(xiàn)有CAD技術(shù)人員充分利用自有的CAD制圖技術(shù)。

5、彩色點云網(wǎng)上 

掃描的彩色點云可以在互聯(lián)網(wǎng)上，讓遠(yuǎn)方的人可以通過互聯(lián)網(wǎng)有如置身于真實的建筑物之中。的點云不但可以網(wǎng)上瀏覽，還可以實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的量測、標(biāo)注等。有利于數(shù)據(jù)共享和現(xiàn)有文物、建筑物的網(wǎng)上展示，宣傳。尤其是對于一些不宜長期向公眾開放的文物景點，通過網(wǎng)上的彩色點云數(shù)據(jù)，可以滿足公眾的網(wǎng)上虛擬瀏覽的需求，也有利于文物保護(hù)工作的開展。

（三）傳統(tǒng)測量技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)具有傳統(tǒng)測量方法不具備的諸多優(yōu)勢，如變 “單點采集”為批量面式采集、實現(xiàn)了“外業(yè)測量內(nèi)業(yè)化”、“非接觸”工作方式不需要測量輔助設(shè)施、“所見即所得”的特點實現(xiàn)了考古過程記錄的定量化和動態(tài)“回放”。無論是微觀的手持式掃描儀、中觀的地面掃描儀，還是宏觀的機載掃描儀，為了得到掃描目標(biāo)的完整點云數(shù)據(jù)，都需要從不同掃描站對同一目標(biāo)的不同部分進(jìn)行掃描，然后將各個掃描站的掃描點云數(shù)據(jù)拼接在一起。數(shù)據(jù)拼接是三維掃描的最核心環(huán)節(jié)，但單憑三維掃描技術(shù)本身很難實現(xiàn)點云高精度拼接。

將傳統(tǒng)測量方法與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，是解決上述問題的基本途徑。為保證最末端掃描站掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時使整個點云模型的精度均勻，除需要控制自由拼接的測站數(shù)外，還需要在掃描測繪過程中引入控制測量的思想，按照“先控制，后碎部；從整體，到局部”的基本誤差限定在容許范圍內(nèi)。掃描測繪前，首先利用精密水準(zhǔn)儀、電子全站儀、衛(wèi)星定位儀等傳統(tǒng)測量儀器布設(shè)三維掃描控制網(wǎng)，測算各個控制點的大地坐標(biāo)；在外業(yè)掃描過程中同步測量拼接點的大地坐標(biāo)，將單一測站的掃描數(shù)據(jù)直接納入大地測量坐標(biāo)系中，提高拼接精度的同時，保證測繪對象不同部位的精度均勻。對于三維激光掃描無法測量的隱蔽部位可充分利用傳統(tǒng)手工測量的靈活性特點以彌補。

參考文獻(xiàn)

[1]白成軍．三維激光掃描在古建筑測繪中的應(yīng)用[D].天津大學(xué)建筑學(xué)院，2007.

篇3

本周晨會，申銀萬國推薦了中海達(dá)（300177），公司此前宣布“多波束海底成像系統(tǒng)”、“三維激光掃描儀”等工程樣機已研制成功，這兩項產(chǎn)品技術(shù)目前基本被國外廠商所壟斷，國內(nèi)暫無成熟產(chǎn)品。

如果結(jié)合市場此前對新產(chǎn)品的研制預(yù)期來看，兩項新產(chǎn)品的樣機面世時間早于預(yù)期。多波束海底成像系統(tǒng)樣機預(yù)計年底研制成功，2013年批量上市；三維激光掃描儀原計劃2012年完成方案設(shè)計，2013年研制成功樣機，2014年批量推向市場。公告顯示多波束產(chǎn)品樣機時間略早于預(yù)期，三維激光掃描儀樣機和批量上市時間均早于預(yù)期。申銀萬國認(rèn)為，研制樣機時間提前說明公司已完全掌握兩項新技術(shù)，并且在產(chǎn)品量產(chǎn)前公司外資品牌打通渠道，提早量產(chǎn)時間則提高了自有品牌和產(chǎn)品被市場接受的可能性。

二級市場上，中海達(dá)明顯表現(xiàn)出區(qū)別于大盤的強勢走勢，目前已突破均線系統(tǒng)的壓制，后市持續(xù)穩(wěn)步上漲的可能性較大，投資者可積極關(guān)注，并結(jié)合自身的投資策略進(jìn)行短線或中線操作。

據(jù)了解，我國共有671家甲級資質(zhì)、2077 家乙級資質(zhì)的測量單位。海洋測繪甲級資質(zhì)要求兩套多波束產(chǎn)品，乙級資質(zhì)要求一套，由于進(jìn)口產(chǎn)品價格過高，大部分測量單位該項指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。因此申銀萬國預(yù)計多波束產(chǎn)品的國內(nèi)需求接近30億元到50億元，假設(shè)下游客戶在5到8年時間完成采購，每年市場空間為5億元—6億元。按每臺100萬元，毛利率70%進(jìn)行測算，中海達(dá)每銷售10臺多波束測深產(chǎn)品，大約能增厚EPS0.015元。

據(jù)悉，三維激光掃描技術(shù)是國際上近期發(fā)展的一項前沿技術(shù)，激光測量技術(shù)采用非接觸主動測量方式快速獲取物體表面大量采樣點三維空間坐標(biāo)。三維激光掃描儀用于對真實世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。

篇4

關(guān)鍵字：三維點云數(shù)據(jù)，濾波，Laplace算法

中圖分類號：C35文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

1 引言

激光具有單色性、相干性、方向性和高亮性等諸多特性，激光首先應(yīng)用于測量出現(xiàn)于上世紀(jì)八十年代，在此之后，激光技術(shù)在精度、速度等方面極大促進(jìn)了測量技術(shù)的發(fā)展，甚至引發(fā)了測量技術(shù)的革命性變化。

三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展日臻成熟的一門先進(jìn)測量技術(shù)，用三維激光掃描儀獲取的海量點點云數(shù)據(jù)，包含了大量的噪聲點，噪聲點的存在影響了數(shù)據(jù)曲線的平滑性，往往使目標(biāo)物體產(chǎn)生收縮變形。為了避免這種情況的出現(xiàn)，我們需要采用合適的濾波手段，保持并凸顯點云數(shù)據(jù)中的真實可靠信息。本文將以真實數(shù)據(jù)實驗為基礎(chǔ)，對濾波技術(shù)在三維激光掃描測量中的具體應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 基本原理

點云數(shù)據(jù)濾波的方法有多種，大體可以分為兩類，一類是首先根據(jù)點云數(shù)據(jù)構(gòu)建網(wǎng)格模型，然后再對網(wǎng)格模型進(jìn)行去噪處理；第二類是直接對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

網(wǎng)格的濾波算法在業(yè)界已經(jīng)被廣泛研究探討（圖1），其中最具代表性的有：Laplace三維點云濾波算法、平均曲率流算法、雙邊帶濾波算法等等；基于點云的濾波算法有最小二乘法、卡爾曼濾波法、小波分析法等。

圖1 常見三維點云濾波算法

要進(jìn)行噪聲去除，首先要進(jìn)行噪聲分析。三維點云的噪聲分布特性包含以下幾種：

1)掃描線點云數(shù)據(jù)（圖2a）。數(shù)據(jù)是一組組的位于掃描平面內(nèi)的掃描線，包括CMM、線結(jié)構(gòu)光掃描得到的數(shù)據(jù)和激光點三角測量系統(tǒng)沿直線掃描的數(shù)據(jù)。

2)陣列式點云數(shù)據(jù)（圖2b）。數(shù)據(jù)是將點云格網(wǎng)化處理后獲得的，數(shù)據(jù)點與規(guī)則格網(wǎng)頂點相對應(yīng)。

3)三角化點云數(shù)據(jù)（圖2c），即數(shù)據(jù)呈三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這類型數(shù)據(jù)常見于工業(yè)CT、磁共振成像等系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)。

4)散亂點云數(shù)據(jù)（圖2d），即該數(shù)據(jù)沒有明顯幾何特征，呈散亂無序分布。

圖2點云排列方式圖

其中，第一種數(shù)據(jù)屬于部分有序數(shù)據(jù)，第二、三種數(shù)據(jù)屬于有序數(shù)據(jù)，第四種是無序數(shù)據(jù)。本文實驗數(shù)據(jù)屬于散亂點云數(shù)據(jù)，屬于第四種數(shù)據(jù)類型，因此本文實驗采用的濾波方法為無序點云濾波算法。

無序點濾波算法有多種，經(jīng)對比選擇，本文選擇Laplace濾波算法。Laplace濾波算法的基本原理是對每個數(shù)據(jù)點運用Laplace算子表示如下：

點云模型中，利用Laplace算子的濾波可以看做是一個擴散過程：

通過這一過程，數(shù)據(jù)曲面上的噪聲擴散到周圍鄰域，從而使整個曲面變得更加光滑。若采用顯式的歐拉積分法，則為：

其中，qj表示點pi的k鄰域，為一個小正數(shù)。Laplace濾波通過迭代的方式將當(dāng)前點移動到其鄰域幾何重心處，從而達(dá)到濾波目的。

3 實驗及實驗結(jié)果分析

我們在廣州市白云區(qū)劃定的實驗場進(jìn)行了三維激光掃描實驗，選取了兩棟建筑作為實驗對象。目標(biāo)建筑經(jīng)三維激光掃描后的結(jié)果如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)圖中存在大量噪聲。

我們使用Laplace濾波算法對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到的結(jié)果如圖4所示，我們可以通過目視看出，濾波處理后的建筑比之前更加逼真，更加清晰，線條輪廓更加平滑。為了定量地分析濾波前后點云數(shù)據(jù)的精度，我們采用高程驗證的方法。利用全站儀在圖3和圖4所示的紅色矩形區(qū)域內(nèi)采集若干高程點，然后分別將濾波前的點云數(shù)據(jù)和濾波后的點云數(shù)據(jù)與全站儀采集的高程信息進(jìn)行對比，統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示，圖中條形圖的高度代表誤差。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，濾波后的數(shù)據(jù)與全站儀實測結(jié)果更為接近，這表明我們采用的濾波方法極大地去除了噪聲對三維激光掃描測量帶來的誤差影響，不僅在視覺效果上讓模型更加真實，而且在測量精度上也有顯著提高。

圖3 帶有噪聲的點云數(shù)據(jù)

圖4 經(jīng)過濾波去噪之后的三維點云數(shù)據(jù)

圖5 三維激光掃描與全站儀測量結(jié)果對比

4 小結(jié)

本文首先總結(jié)了三維點云數(shù)據(jù)濾波的常用算法，通過對三維點云數(shù)據(jù)及其噪聲特性的探討，進(jìn)一步闡釋了三維點云數(shù)據(jù)濾波的基本原理，并以LapLace算法為例進(jìn)行了一次真實的三維點云數(shù)據(jù)濾波實驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了簡單的驗證和分析，實驗結(jié)果表明：Laplace算法對三維點云數(shù)據(jù)的濾波效果十分明顯，不僅在視覺效果上，使模型變的更加平滑和真實，在精度上也更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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篇5

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù)；測繪工程；應(yīng)用分析

中圖分類號： P2文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

1三維激光掃描技術(shù)的工作原理

掃描儀的發(fā)射器通過激光二極管發(fā)射一種接近紅外線波長的無害光束，對測繪對象進(jìn)行立體面狀的掃描，借助設(shè)備獲取對激光的反射時間差，從而測量激光與物體之間的距離，最后用編碼器來測量鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度,獲取測量對象表面每個采樣點空間立體坐標(biāo),得到被測對象的采樣點集合,稱之為“距離影像”或“點云”。所獲取的由點云組成的影像與通常的掃描的柵格影像最大的區(qū)別就是具有矢量化的特性,點云之間具有可量測性。

2設(shè)備分類及性能

三維激光掃描設(shè)備可分為機載類和地面類。地面掃描設(shè)備根據(jù)掃描的方式不同可以分為車載、地面和船載。地面掃描設(shè)備按其功能可以分為ILRIS—3DVP、ILRIS—3DER、ILRIS—36D和ILRIS—3DMC四種型號。ILRIS—3DVP是最基本的掃描設(shè)備，使用范圍比較廣；ILRIS—3DER距離增強型,能夠遠(yuǎn)距離進(jìn)行工作；ILRIS—36D的掃描空間比較廣，面積達(dá)，可以旋轉(zhuǎn)掃描；ILRIS—3DMC適合于車載和船載進(jìn)行移動掃描。

3系統(tǒng)組成

三維激光掃描設(shè)備由軟件和硬件組成，硬件為三維激光掃描儀，軟件包括點云影像后處理系統(tǒng)。

4系統(tǒng)工作流程

工作流程是:方案制定外業(yè)掃描數(shù)據(jù)處理(點云定向、點云處理等)成果輸出。點云間的相對位置在掃描的距離影像中是完全正確的，則取決與將它們能否通過轉(zhuǎn)換統(tǒng)一在同一坐標(biāo)系下。一般情況下，一幅點云圖像無法反映測區(qū)整體，多幅點云影像的拼接，就要在數(shù)據(jù)處理階段完成坐標(biāo)糾正，使多幅圖像處于同一坐標(biāo)系下，這就是所謂的點云定向。

實際點云影像定向就如兩個不同空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換一樣，需要解決的轉(zhuǎn)換參數(shù)共有七個：三個平移參數(shù)，三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個尺度比參數(shù).實際應(yīng)用中有兩種方式可以完成定向：相對方式和絕對方式。相對方式就是以一幅點云圖像坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，其他點云圖像統(tǒng)一在該掃描圖的坐標(biāo)系下，前提條件是不同點云圖像之間存在重疊或者事先設(shè)置有控制點和靶點。實際測繪過程中，要求將點云圖像統(tǒng)一在大地坐標(biāo)系下或者某一特定的坐標(biāo)系下，絕對轉(zhuǎn)換方式就是將所有掃描圖都轉(zhuǎn)換到控制點的坐標(biāo)系中，該種方式最大的優(yōu)點是消除轉(zhuǎn)換誤差的累積,通常實際應(yīng)用中，可將兩種方式綜合起來應(yīng)用。掃描得到的是散亂的海量數(shù)據(jù)，需要對采集點云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪音濾除、點數(shù)據(jù)平滑處理、剪裁等處理步驟，另外對于某些觀測死角和暗部，需要進(jìn)行必要的“織補”，或采用特殊方式進(jìn)行掃描處理。

5三維激光掃描技術(shù)優(yōu)點

三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點是方便、精確、快捷、實時和全數(shù)字化，測量精度高，測量方式比較靈活，不接觸所測對象，可以及時的采集物體空間的三維數(shù)據(jù)，建立其立體模型，并對模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。三維激光掃描技術(shù)彌補了傳統(tǒng)測量方法的弊端，數(shù)據(jù)采集點位密度大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以實現(xiàn)精細(xì)化測繪，同時提高了測量效率，減少了測量成本。

6應(yīng)用與前景

(1)立體模型的建立。三維激光掃描技術(shù)主要用于物體立體模型的建立、工業(yè)設(shè)備計測、考古與文物保護(hù)、三維城市漫游建立和三維數(shù)字地面模型建立等。

(2)完成水域和地面掃描。借助機載和船載激光掃描設(shè)備可以完成水域和地面地形掃描測量。

(3)滑坡監(jiān)測和確定滑坡區(qū)域。通過對掃描數(shù)據(jù)的兩次或多次比較，從而能夠確定和完成滑坡區(qū)域的檢測，達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)和對災(zāi)害造成范圍的確定。

（4）洪水區(qū)域的分析：通過對洪災(zāi)發(fā)生前后的三維地形對比分析，一是可以確定降水量，預(yù)測洪水達(dá)到的區(qū)域，達(dá)到預(yù)防的目的；二是通過對洪水前后掃描數(shù)據(jù)的對比，計算受災(zāi)區(qū)洪水的體積。

（5）變形監(jiān)測：傳統(tǒng)變形監(jiān)測方式是通過全站儀或GPS以及其他形式監(jiān)測方式，在易發(fā)生變形的地方設(shè)置檢測點,通過連續(xù)和定期觀測,對多次觀測的數(shù)據(jù)的對比分析，完成對工程安全性的確定,此種方式只是對離散監(jiān)測點位移變化分析，做出安全與否判斷，結(jié)果可能存在瑕疵，而三維激光掃描技術(shù),可以高精度，高密集對監(jiān)測對象，進(jìn)行立體空間面狀掃描，獲取監(jiān)測體的整體數(shù)據(jù)，通過定期或周期對監(jiān)測體的掃描數(shù)據(jù)對比分析，做出對監(jiān)測對象的正確評估。補充、擴充和完善地理信息系統(tǒng)：三維激光掃描技術(shù)可以完成對空間數(shù)據(jù)信息的確認(rèn)，作為下一代的測量手段加上數(shù)據(jù)管理功能，可以作為電子手簿或GIS的有利工具和數(shù)據(jù)采集手段，改變舊的數(shù)據(jù)管理方式具有重要的意義，同時豐富和完善了測繪信息的獲取手段和表現(xiàn)形式。

7結(jié)束語

伴隨三維激光技術(shù)的不斷完善與發(fā)展,以及三維控制信息需求的增加,三維空間技術(shù)將和現(xiàn)代經(jīng)典測量技術(shù)相互融合,作為一種新的空間數(shù)據(jù)采集手段,三維激光掃描技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間,將成為一種普遍應(yīng)用的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]范海英,楊倫.Cyra三維激光掃描系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究[J].礦山測量,2004(3):56-57.

[2]史友峰,高西峰.三維激光掃描系統(tǒng)在地形測量中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007(12):343-344.

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關(guān)鍵詞：三維激光掃描；隧道變形監(jiān)測方法；全站儀；采樣密度；測量精度；數(shù)據(jù)采集 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U456 文章編號：1009-2374（2017）10-0218-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.10.110

1 概述

三維激光掃描技術(shù)為非接觸式主動測量技術(shù)，與傳統(tǒng)的單點測量有很大差異。該技術(shù)通過掃描便可快速獲得高密度、高精度、大面積的海量點云數(shù)據(jù)，得到目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)，掃描速度快，可達(dá)萬點每秒。同時，三維激光掃描技術(shù)對于施工現(xiàn)場的光線條件沒有明確要求，即使在黑暗環(huán)境下也可進(jìn)行測量，一次測量便可獲得隧道內(nèi)部的全面數(shù)據(jù)，再根據(jù)測量要求和目的對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理便可獲得隧道任一斷面的變形數(shù)據(jù)，了解隧道當(dāng)前的運行狀況。由此可見，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測具有技術(shù)優(yōu)勢，便于操作和數(shù)據(jù)

處理。

2 三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成和工作流程

三維掃描技術(shù)又名實景復(fù)制技術(shù)，該技術(shù)是在激光測距技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可以獲得隧道內(nèi)部實體的點云數(shù)據(jù)，通過對大量數(shù)據(jù)的處理分析可以建立相應(yīng)的三維實體模型，其精確度較高。然后結(jié)合坐標(biāo)控制對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異化分析與比較即可獲得實體變形特征數(shù)據(jù)。

為了便于點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、斷面提取、斷面對比分析和斷面收斂變形分析等諸多功能，需要建立完善的三維激光掃描數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1。該系統(tǒng)聯(lián)合了Matlab數(shù)據(jù)平臺，根據(jù)三維激掃描系統(tǒng)的工作原理采集隧道變形數(shù)據(jù)，該系y的具體優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下五個方面：第一，點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，該系統(tǒng)可直接對隧道測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并在處理過程中剔除無效信息，如激光反射光束、隧道管線、現(xiàn)場人員的噪聲點等；第二，點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，在各站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化工作結(jié)束后，其坐標(biāo)系統(tǒng)一，便于后期數(shù)據(jù)的再處理；第三，斷面處理，對于已經(jīng)設(shè)定的間隔提取斷面點云，需對隧道中心軸線進(jìn)行最小二乘擬合；第四，對隧道的變形量進(jìn)行計算與分析，依據(jù)每個斷面的測量點云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面擬和，并將其與設(shè)計圖紙和以往工程資料進(jìn)行比對了解隧道收斂變形情況；第五，數(shù)據(jù)輸出，可以通過文本或圖形顯示數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測結(jié)果。作業(yè)流程如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

3.1 布設(shè)控制點和監(jiān)測點

本文研究采用的徠卡三維激光掃描儀，其為高速度和高精度的激光掃描儀，集合了多種技術(shù)優(yōu)勢，適用于各類工程測量項目。單點測量精度高達(dá)6mm。測距范圍為300m，模型表面精度為±2mm。采用三維掃描儀可以快速獲得密集目標(biāo)物體表面的三維坐標(biāo)、反射率和紋理信息，但是在使用三維掃描儀進(jìn)行測設(shè)之前需要做好準(zhǔn)備工作，合理布設(shè)控制點與監(jiān)測點。因為三維掃描技術(shù)特征以及獲取數(shù)據(jù)的后期處理要求有所差異，控制點的布設(shè)方案也就有所不同。依據(jù)不同掃描儀的有效測距范圍和多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)等相關(guān)要求進(jìn)行控制點與監(jiān)測點的布設(shè)工作。為了保證掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一，便于后期數(shù)據(jù)處理，且可進(jìn)行多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，盡量不將控制點和監(jiān)測點布設(shè)在不同的直線與平面上。

這里對隧道掃描點云配準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)分析。所謂點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)就是指使兩幅點運輸局同名點的點對（）滿足相同變換矩陣T，需滿足如下方程：

式中：P、Q分別為兩次掃描的點集；pi、qi分別為點集P以及Q中的某點。

在應(yīng)用上述公式解決實際問題時，會遇到查找點對以及求解矩陣T的問題，為此可以用所有同名點匹配誤差大小對配準(zhǔn)進(jìn)行判斷，如下：

式中：E為配準(zhǔn)誤差；Np為點對數(shù)量；D為兩個相似點的最近距離。

三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件的配準(zhǔn)模塊中一般支持兩種配準(zhǔn)方式，即點云配準(zhǔn)和基于目標(biāo)的配準(zhǔn)。部分軟件可以用于大地控制點的配準(zhǔn)。

第一，基于點云的配準(zhǔn)?；邳c云的配準(zhǔn)就是在兩副點云數(shù)據(jù)中找出不在統(tǒng)一直線上的三個同名點進(jìn)行電源匹配。軟件中基于電源的配準(zhǔn)方法是先選擇3個同名的點進(jìn)行初步配準(zhǔn)，然后按照式（1）進(jìn)行優(yōu)化，保證配準(zhǔn)精確，最高精度可達(dá)3mm；第二，基于目標(biāo)的配準(zhǔn)。三維激光掃描系統(tǒng)中有專用的平面標(biāo)靶，在每站測量工作中可將其作為標(biāo)志點，架設(shè)在變形監(jiān)測點上用作變形點的分析工作，也可以隨意架設(shè)作為配準(zhǔn)目標(biāo)；第三，基于大地控制點的配準(zhǔn)。實地測量過程中會受到多種因素的影響，如儀器電源使用時間等，為了縮短測量工作時長，需在不影響測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的情況下制定最佳的測量方案?；诖蟮乜刂泣c的配準(zhǔn)方法綜合三維激光掃描儀測量工作的性質(zhì)以及現(xiàn)場控制網(wǎng)的布設(shè)要求，任意架設(shè)掃描儀，將標(biāo)靶在控制點上作為特征點便可快速獲得隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中需將測量得到的標(biāo)靶架設(shè)高度輸入至大地坐標(biāo)軟件中，輸入之后再進(jìn)行點云配準(zhǔn)便可。

3.2 數(shù)據(jù)采集

布設(shè)控制點與監(jiān)測點后則可以定期對被測物體進(jìn)行掃描。需要注意的是，在獲取數(shù)據(jù)過程中，需將掃描儀安裝在測站上，并調(diào)整好儀器的角度等，將其與計算機相連接，設(shè)置好功能參數(shù)，再啟動掃描儀，需保證單獨測站之間有部分點云重合。

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關(guān)鍵詞：三維足部掃描 激光三角法 三維數(shù)字化

前 言：三維足部掃描儀是一款高科技立體腳型測量設(shè)備，該設(shè)備集合了光學(xué)、機械、電子領(lǐng)域的新興技術(shù)。利用激光平面光對腳進(jìn)行光切，在腳的某一個截面上形成封閉光帶，用三個 CCD 攝像機對截面光帶成像，可一次獲得腳的某一個截面的二維輪廓信息，再沿光切的垂直方向步進(jìn)測量，就可以得到腳的整個三維曲面信息[1]。

一、三維足部掃描光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

足部掃描儀的主要技術(shù)指標(biāo)為：掃描范圍、分辨率、掃描時間。

分辨率是評價掃描系統(tǒng)精度的重要參數(shù)，分辨率越高越能真實反映物體表面的細(xì)節(jié)，但也會對CCD攝像機提出更高的要求，導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，掃描時間變長，因此需要合理選擇。定義傳感器獲取圖像中每一像素代表的實際距離為系統(tǒng)的分辨率。由于被測物體距傳感器的遠(yuǎn)近會對分辨率產(chǎn)生影響，因此只能給出系統(tǒng)在典型位置處的分辨率，稱為典型分辨率。定義系統(tǒng)測量的典型位置為距離人腳中心線左右各40mm處的兩個豎直平面。在典型位置處，傳感器獲得的圖像最為清晰，而在此位置內(nèi)外，則靠鏡頭的景深來調(diào)節(jié)。

對比國外足部掃描系統(tǒng)，結(jié)合對于人體足部數(shù)據(jù)測量[2-6]的考慮，提出了這樣的技術(shù)指標(biāo)：

掃描范圍：290mm*140mm*160mm（長度*高度*寬度）

典型分辨率：0.1mm*0.2mm*0.3mm（長度*高度*深度）

掃描時間的提出主要考慮縮短人體足部保持固定姿態(tài)的時間，所以掃描時間要在硬件條件允許的前提下盡量短，因此提出掃描時間為12s，對應(yīng)的掃描速度為30mm/s。同時，掃描儀器的空間尺寸盡可能小，設(shè)計系統(tǒng)整體高度不超過350mm，寬度300mm左右。

下面將根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，對光路部分進(jìn)行設(shè)計，以滿足提出的技術(shù)指標(biāo)。

二、三維足部掃描光學(xué)系統(tǒng)中的光路設(shè)計

光路設(shè)計主要利用光學(xué)的反射和折射原理來設(shè)計光路，在保證光程的基礎(chǔ)上縮小所需空間，對于左側(cè)和右側(cè)的激光器，激光器經(jīng)過一次反射打在被掃描的物體表面，左側(cè)和右側(cè)的CCD的接收則是有兩路光路，將一個CCD分成兩部分，得到兩部分圖片，用以代替激光三角法中的兩個CCD。下側(cè)激光器采用的是兩次反射，CCD采用的是和左右兩側(cè)相同的設(shè)計思路。

這樣設(shè)計的優(yōu)點是，將激光器，CCD和反射鏡結(jié)合在一起，既不影響攝像頭的信息采集，保證儀器的正常工作，又能極大的減小儀器的整體尺寸。

三、三維足部掃描光學(xué)系統(tǒng)中的硬件x取

（一）傳感器的選取

圖像采集系統(tǒng)的核心是傳感器，包括CCD和激光器，它們在光學(xué)系統(tǒng)中的位置關(guān)系由提出的技術(shù)指標(biāo)決定。

1、CCD的選擇

對于CCD的選擇，有如下考慮點：

（1）采集足部的外形輪廓信息，只需使用黑白圖像。

（2）像面尺寸和視場角能滿足掃描范圍和分辨率的要求。

（3）重量輕，減少系統(tǒng)的負(fù)載。

筆者建議可以選取深圳度申科技有限公司的微型全色相機M2S500M-H。

2.腳面?zhèn)鞲衅髟O(shè)計

對腳面的掃描采用安裝在左右對稱的兩個掃描臂上的兩組傳感器完成。針對于平行于腳底面的平面進(jìn)行設(shè)計。其中，距離中心線左右各40mm的兩條虛線是設(shè)定的分辨率的典型位置，代表兩個垂直于紙面的平面。以某一個CCD為例，在典型位置處，要達(dá)到的高度方向掃描范圍是120mm，即以點N為中心并垂直于紙面的距離，而CCD需要放置在掃描高度方向上60mm處的位置。那么根據(jù)CCD在該方向上的視場角為42°，計算得到CCD到典型位置的距離為PN =156.3mm[7]。

對于腳的寬度方向，CCD在該方向上的視場角為∠APB =32°。仍以CCD4為例，在典型位置處，需要達(dá)到的范圍是掃描寬度的一半：80mm，則BN R40mm；取AB =100mm，計算得BN =43.5mm，CCD攝像機與激光器的夾角為θ=∠BNP=65.8°。同時，d1=LN =64mm； h1=LP =142mm；l1=QN =PN =156.3mm。

對腳底的掃描采用一組傳感器。垂直于腳底面的平面進(jìn)行設(shè)計。以CCD為例，在腳底面上需要達(dá)到的掃描寬度是160mm， CCD在該方向上的視場角為∠ARB=42°，求得OR =208.4mm 。通過分析CCD在高度方向上的視場角為∠MPN=32°，讓CCD攝像機與激光器的夾角與腳面?zhèn)鞲衅鹘M中CCD與激光器的夾角保持一致，即θ=∠MOR=65.8°。計算得d2=DR =85mm， h2=OH =190mm。

通過以上設(shè)計可以看出我們設(shè)計的足部掃描儀需要3個激光器和3個CCD攝像機，大大減輕了儀器的生產(chǎn)成本和外形尺寸。

（二）激光器的選擇

光源的擴束方法有三種：

凸透鏡。這種擴束方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是兩端是弧形的，無法滿足設(shè)計要求；波浪棱鏡式。這種擴束方法的優(yōu)點是中間部分光束比較集中，缺點是單線的兩端是不連續(xù)的一系列點，無法滿足設(shè)計要求；鮑威爾棱鏡[8]（Powell Lenses）： 鮑威爾棱鏡是一種光學(xué)劃線棱鏡，它使激光束通過后可以最優(yōu)化地劃成光密度均勻、穩(wěn)定性好、直線性好的一條直線。鮑威爾棱鏡劃線優(yōu)于柱面透鏡的劃線模式，能消除高斯光束的中心熱點和褪色邊緣分布。

考慮激光器發(fā)出的光在豎直平面內(nèi)距離激光器LN = 64mm處要有足夠的寬度覆蓋豎直高度140mm的范圍（140mm為掃描為掃面范圍）；同時，激光束在豎直方向的高度不應(yīng)僅僅與掃描臺面相切，而且要向下多留一些余量，便于與腳底的激光束形成完整的閉合光帶；并要求光束較細(xì)，光線強度穩(wěn)定。

綜上所述，我們選擇了西安赫胥爾鐳得激光科技有限公司的藍(lán)光線光源激光器，主要技術(shù)指標(biāo)為：

光扇角：60度；線寬：0.3mm；波長：475nm；額定功率15毫瓦；工作電壓5V。

根據(jù)激光發(fā)散角求出過點N的高度方向上光束長度為152.5mm> 120mm，滿足掃描范圍的要求。

選擇藍(lán)光的原因重要根據(jù)CCD相機的感光度有關(guān)。根據(jù)所使用相機的感光度與波長的關(guān)系圖可以知道，感光度曲線出現(xiàn)波峰時光的波長在475nm左右，因此選擇藍(lán)光（475-496nm），此時相機有較好的感光度，可以使得光圈更小，這對于排除雜光的干擾有很大的作用。

結(jié)語：基于激光掃描原理的三維足部掃描儀的測量結(jié)果準(zhǔn)確，操作便捷等優(yōu)勢，將會給人工測量帶來極大的方便，同時也能夠進(jìn)行醫(yī)療方面的矯形鞋定制、假肢生產(chǎn)，包括足療機構(gòu)、醫(yī)學(xué)診斷等。除此之外，現(xiàn)在消費者越來越追求高品質(zhì)的生活，追求個性化，定制化服務(wù)的市場越來越大，所以三維足部掃描儀將會有廣闊的發(fā)展前景。

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篇8

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；數(shù)據(jù)處理；精度控制

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

三維激光技術(shù)是一門新型的熱門高效的技術(shù)，它是繼GPS技術(shù)后又一項測繪技術(shù)的誕生。其在數(shù)據(jù)處理方法和獲取方法以及服務(wù)能力水平上都進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

一、三維激光掃描系統(tǒng)的分類

我國目前把三維激光掃描技術(shù)分為兩類；機載型，地面型。在測量方式上還細(xì)化成移動式激光掃描系統(tǒng)，手持式機關(guān)掃描系統(tǒng)。在當(dāng)前，地面型固定式三維激光掃描系統(tǒng)是目前最重要的掃描裝置。其一般有三維激光掃描儀，數(shù)碼相機，掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺，軟件控制平臺，電源以及其它的相關(guān)的附件組成。

二、地面型三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

三維激光掃描儀的發(fā)射器在進(jìn)行工作時會項目表發(fā)射一個激光脈沖信號，這個信號在接觸到物體表面是被反射回來，順著相同的路線反向的傳回到接收器中，在這之中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就是三維激光掃描儀的工作目的。當(dāng)脈沖在到達(dá)目標(biāo)點時精密的時鐘控制編碼器同步測量每個脈沖橫向掃描的觀測值和縱向掃描的觀測值。

三、三維掃描儀的點云數(shù)據(jù)處理

在三維激光采集數(shù)據(jù)時采集的是點云數(shù)據(jù)，一般包括有下列各個步驟；

（一）噪聲去除。噪聲去除就是指將點云數(shù)據(jù)中的錯誤的數(shù)據(jù)，通過掃描的過程，把它給去除掉。由于某些原因的影響，會導(dǎo)致這一現(xiàn)象的發(fā)生。比如說移動的車輛和行人還有樹木，也同樣會被掃描儀所采集到，這些都是要在后續(xù)的工作中刪除帶掉的。

（二）多視對齊。多視對齊是說被測量的物體的形狀多大或者比較復(fù)雜，那么在掃描時就不能一次性的測出所有的數(shù)據(jù)，這樣的情況需要我們從不同的位置，去進(jìn)行多視角的多次掃描，多視對齊的實質(zhì)就在于此。

（三）數(shù)據(jù)精簡。點云數(shù)據(jù)的精簡是指在海量的云技術(shù)數(shù)據(jù)中，在不影響曲面重構(gòu)和保持著一定精度的情況下需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，而我們比較常用的精簡模式有平均精簡，按距離精簡兩種。如若想真實的反映掃描目標(biāo)，那就需要準(zhǔn)確的將需要掃描的數(shù)據(jù)用曲面表示出來，這項過程就是曲面重構(gòu)。

（四）曲面重構(gòu)。我們比較常見的曲面的表示種類中有；細(xì)分曲面，暗含的函數(shù)表示，明確的函數(shù)表示，三角形網(wǎng)絡(luò)，參數(shù)曲面，曲化的面片等。著里我主要說說參數(shù)曲面重構(gòu)和細(xì)分曲面重構(gòu)；參數(shù)曲面重構(gòu)是對對幾何形狀進(jìn)行的描述這項理論起源于60世紀(jì)，它的主要思想是用一組基函數(shù)做為分權(quán)因子，在通過一組初始的控制向量的線性組合獲得形體的連續(xù)表示，我們一般都采用的參數(shù)曲面有Bezier曲面，B樣條曲面和NURBS曲面等。細(xì)分曲面重構(gòu)主要針對復(fù)雜的物體表面模型重建和曲面的拼合問題，是從初始的多面體控制網(wǎng)絡(luò)開始的，應(yīng)用某種細(xì)分規(guī)則，對新生成的每個網(wǎng)絡(luò)的定點進(jìn)行相繼歸集的計算，網(wǎng)格頂點生成是原始網(wǎng)格的幾個相鄰頂點的加權(quán)平均，通過不斷的細(xì)分，逐漸將控制網(wǎng)格磨光。在無窮多次細(xì)分后，最終將控制網(wǎng)格將收斂于一張光滑曲面，而這就是重建曲面。

四、三維激光掃描儀的精度分析

（一）三維激光掃描儀的測量誤差分析。三維激光掃描系統(tǒng)的測量誤差可分為兩種；系統(tǒng)誤差和偶然誤差，系統(tǒng)誤差可能會引起掃描點的坐標(biāo)錯誤，可以通過公式的改正后世修正系統(tǒng)來解決。測試系統(tǒng)的偶然誤差是一些隨機性的錯誤的集中體現(xiàn)。在測量誤差上的影響因素較多，主要可以分為三類，儀器誤差，與目標(biāo)物體反射有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件。在儀器誤差上又包括激光測距誤差，掃描角度測量誤差。與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差主要是目標(biāo)物體表面粗糙的原因。外界環(huán)境因素主要包括溫度和氣壓等因素。

（二）三維激光掃描儀精度控制。在了解到了相關(guān)的可能出現(xiàn)差錯的原因后我們需要找到解決的對策來加以控制。在系統(tǒng)的測量誤差上激光測距的影響相對比較重要，我們要防止在掃描儀脈沖計時的系統(tǒng)誤差和測距技術(shù)中的不確定間隔的缺陷所引起的誤差。需要運用一些好的技術(shù)處理相應(yīng)發(fā)生的各種突變的誤差，相對于激光測距誤差綜合體現(xiàn)為i測距中的固定誤差和比例誤差，我們可以用儀器檢定確定測距誤差的大小。在掃描角上引起的誤差可以通過保證其水平和豎直的掃描角度，在轉(zhuǎn)動中減少其振動，始終保持精確的角度。

（三）提高測量精度的方法。在相對一樣的條件下，通過調(diào)整三維激光掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)設(shè)定，相應(yīng)的減少坐標(biāo)系來調(diào)整。從而達(dá)到減少坐標(biāo)系誤差的目的。通過減少坐標(biāo)系堆疊的步數(shù)去相應(yīng)的調(diào)整三維激光掃描系統(tǒng)的誤差，相應(yīng)的減少單個曲面片坐標(biāo)系的堆疊的偏差來見減少誤差，利用這些方法來加強三維激光掃描技術(shù)在測量上的精確度，使三維激光掃描儀的工作能夠更加有效的開展。在這其中，數(shù)減少單個面片坐標(biāo)系堆疊便宜誤差的方法的控制效果最為明顯。

五、三維激光掃描儀技術(shù)在將來的發(fā)展

比較現(xiàn)在的三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們知道在未來，這項技術(shù)會有更加廣泛地發(fā)招空間以及明確的發(fā)展方向；通過自身的技術(shù)力量發(fā)展降低國內(nèi)在三維激光掃描儀器的價格，提升我國的市場。規(guī)范三維激光掃描儀器的數(shù)據(jù)處理格式，制定相關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。通過與傳統(tǒng)的手段相結(jié)合，來克服精度和測距上的矛盾，實現(xiàn)長距離高精度的測量標(biāo)準(zhǔn)。在不斷提高技術(shù)的基礎(chǔ)上，側(cè)重于研究技術(shù)核心下的新的測量數(shù)據(jù)方式，以及測量操作方式，從而提高測量的初始精度，采取改善數(shù)據(jù)算法的方式來不斷降低數(shù)據(jù)在計算上的誤差。

結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是時代進(jìn)步的體現(xiàn)，推動了我們身邊許多的行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步。同時這項技術(shù)使測量技術(shù)領(lǐng)域在數(shù)據(jù)的提供上，有了更高的精準(zhǔn)度。盡管現(xiàn)在的三維激光掃描技術(shù)的價格過高，在有些的數(shù)據(jù)處理和精度測量上存在著缺陷，但我相信隨著這項技術(shù)的不斷研究發(fā)展和各種各種的不斷合理化與規(guī)范化，在不久的將來這項技術(shù)一定會在數(shù)據(jù)處理和精確度上有一個質(zhì)的飛躍。

參考文獻(xiàn)

篇9

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；控制測量；標(biāo)靶測量；

文物作為一個國家、一個民族文明程度的有效載體，代表著這個國家的歷史和底蘊，顯示著這個民族的淵源和風(fēng)采，文物保護(hù)工作對兩個文明建設(shè)有著十分重要的意義和作用。天龍山石窟是全國重點文物保護(hù)單位,是列入世界文化遺產(chǎn)保護(hù)名錄的國寶。

天龍山佛像實體與三維模型

1 控制網(wǎng)的布設(shè)方案

本次天龍山石窟三維激光掃描項目,目的是利用激光三維掃描技術(shù)對天龍山石窟進(jìn)行數(shù)字化，實現(xiàn)其再現(xiàn)、保護(hù)和仿制，具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)意義。由于掃描之前沒有現(xiàn)成的高等級的控制點可用，因此我們需要首先對天龍山石窟作整體控制測量，以服務(wù)后邊的標(biāo)靶點測量。整個控制測量分兩部分，平面控制和高程控制。平面控制擬采用城市一級導(dǎo)線測量，高程控制擬采用二等水準(zhǔn)測量。

2三維激光掃描儀的特點及原理

三維激光影像掃描儀是一種集成多種高新技術(shù)的影像掃描測量系統(tǒng)。主要包括激光測量系統(tǒng)、激光掃描儀、可便攜三角架、線纜、便攜電腦及控制裝置、定標(biāo)球及標(biāo)尺、測控軟件、信息后處理軟件等，同時也集成CCD數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。三維激光掃瞄儀是內(nèi)含掃瞄棱鏡的快速激光測距儀，可以快速方便準(zhǔn)確地獲取近距離靜態(tài)物體的空間三維模型，以及對模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析和數(shù)據(jù)處理。它不需反射棱鏡即可精確測得掃瞄點的三維坐標(biāo)，其掃瞄速度目前可達(dá)數(shù)萬點/秒。其主要優(yōu)點有：非接觸式主動測量，可操作空間小，便于架設(shè)。不需要可見光源，所以在黑暗中也可進(jìn)行測量，這種特點對坑道或自然洞穴的測量非常有幫助；在有可見光源時，可同時獲取被測點的色彩值，形成三維影像，可方便建立虛擬實境。三維激光影像掃描儀的核心技術(shù)有兩個：其一是空間點陣掃描技術(shù)，其二是激光無反射棱鏡長距離快速測距技術(shù)。

三維激光掃描儀的工作過程實際上就是一個不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程。它通過具有一定分辨率的空間點坐標(biāo)x y z 其坐標(biāo)系是一個與掃描儀設(shè)置位置和掃描儀姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系所組成的點云圖來表達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。三維激光掃描儀所得到的原始觀測數(shù)據(jù)主要是： (1)激光束的水平方向值和豎直方向值(2)儀器到掃描點的距離值(3)掃描點的反射強度等。

前兩種數(shù)據(jù)用來計算掃描點的三維坐標(biāo)值的,反射強度則用來給反射點匹配顏色脈沖。

3求解三維坐標(biāo)原理

非接觸式三維數(shù)據(jù)獲取方法按其測量原理的不同，大致分為光學(xué)測量、超聲波測量，電磁波測量等。其中，超聲波測量和電磁波測量在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中比較廣泛，在空間信息科學(xué)領(lǐng)域里，光學(xué)測量方法應(yīng)用最普遍且一般采用激光作為光源。本文研究的主體就是三維激光掃描儀。激光三維數(shù)字化儀利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來獲取其三維信息。

原理：基于脈沖飛行時間測距。此類三維激光掃描儀利用激光脈沖發(fā)射器周期地驅(qū)動一激光二極管向物體發(fā)射近紅外波長的激光束，然后由接收器接收目標(biāo)表面后向反射信號,產(chǎn)生一接收信號，利用一穩(wěn)定的石英時鐘對發(fā)射與接收時間差作計數(shù)，又光的速度是常量，所以可測得被測目標(biāo)至掃描中心的距離S，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。激光掃描系統(tǒng)一般使用儀器自己定義的坐標(biāo)系統(tǒng)：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直(如圖1所示)。內(nèi)部伺服馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動，使脈沖激光束沿X、Y兩個方向快速掃描,實現(xiàn)高精度的小角度掃描間隔、大范圍掃描幅度。通過一個線元素和兩個角元素計算空間點位的X、Y、Z坐標(biāo)，空間點坐標(biāo)的計算公式如下：

4 標(biāo)靶的布設(shè)方案及實施

掃描儀標(biāo)靶是一種掃描儀配套的能精確識別其中心的像豎著的乒乓球拍形狀的標(biāo)靶，分為底座和標(biāo)靶面兩部分，標(biāo)靶面可以繞著標(biāo)靶中心旋轉(zhuǎn)。標(biāo)靶點作為轉(zhuǎn)換坐標(biāo)和控制誤差的控制點，一般要分布均勻，保證有足夠的密度，能控制整個建筑而且易于掃描和短期保留。在布設(shè)時需要根據(jù)實際需求，針對需要掃描的目標(biāo)確定標(biāo)靶的個數(shù)和位置。為了方便標(biāo)靶辨認(rèn)，我們對所測標(biāo)靶點統(tǒng)一編上號，這樣每個標(biāo)靶都有自己的編號，這樣掃描完內(nèi)業(yè)處理時就不會認(rèn)錯標(biāo)靶。

水平角觀測：在角度測量中，為了消除視準(zhǔn)軸誤差、水平軸傾斜誤差、照準(zhǔn)部轉(zhuǎn)動時的彈性帶動誤差等儀器誤差，需要用盤左和盤右兩個位置進(jìn)行觀測。為了有效減弱各種誤差影響，保證觀測果的必要精度，水平角觀測采用全圓方向觀測法。測量時，由于標(biāo)靶距離一般都比較短，所以為了減少照準(zhǔn)誤差，我們在后視點上豎上一枚大頭針，這樣就大大減少了后視的照準(zhǔn)誤差。

豎直角觀測：用十字絲橫絲橫切目標(biāo)于某一位置，豎直角觀測有兩種方法：中絲法和三絲法，我們用的是中絲法，即只用十字絲的中絲瞄準(zhǔn)目標(biāo)。在測站上安置儀器，對中、整平量取儀器高，測水平角的同時測量豎直角。

距離和高差測量：在瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，測出測站到標(biāo)靶點中心的水平距離，并且按三角高程測量計算出測站和標(biāo)靶中心間的高差，顯示到全站儀屏幕上。

結(jié)束語：

三維激光掃描儀最大的特點就是能建立高清晰的三維數(shù)字模型，不僅能對古跡當(dāng)時的真實面貌進(jìn)行再現(xiàn)，而且可將掃描數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成CAD數(shù)據(jù)資料。這就很好地解決了長久以來文物古跡保護(hù)的難題：沒有用于維護(hù)和翻新的古跡的CAD數(shù)字資料。模型建立后，可對物體上的任意點、尺寸進(jìn)行量測量，通過掃描的精度比較可以看出，用三維激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果可以非常精確地測出建筑物及物體的尺寸，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量方法。與傳統(tǒng)的古建測量相比，三維激光測量能在不損傷建筑物的條件下，快速采集建筑物外部表面的精確數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的人力物力，可以做到花最合理的價格，最大效率地完成所需的工作。

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篇10

【關(guān)鍵詞】足踝部外傷；計算機體層攝影；圖像處理；三維重建

文章編號：1009-5519（2008）23-3506-02 中圖分類號：R81 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

足踝部骨折臨床多見，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重疊較多，普通X線片及常規(guī)橫軸位CT很難全面完整地顯示骨折及骨碎片，而CT三維重建技術(shù)不斷完善，圖像質(zhì)量不斷提高，能更好地顯示足踝部骨折的立體形態(tài)，更有利于臨床分型及手術(shù)治療?；仡櫺苑治鑫以鹤?005~2008年螺旋CT對足部外傷病例進(jìn)行三維重建的處理，并從中選出具有代表性的45例經(jīng)臨床、手術(shù)證實的足踝部骨折進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 臨床資料：本組45例，男28例，女17例，年齡14~67歲，平均34.5歲。受傷原因：車禍傷16例，墜落傷15例，扭傷14例，45例足踝部骨折均進(jìn)行X線正側(cè)位平片、螺旋CT掃描，并行三維重建。

1.2 方法：采用西門子多排螺旋CT機(SIEMENS SOMATOM SENSATION)進(jìn)行掃描，各病例掃描條件均相同，掃描層厚1～1.35 mm，螺距1∶1，重建1 mm。在獲得優(yōu)質(zhì)的橫斷圖像后尋找出感興趣（VOI）的足部部位，用掃描保留下的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行薄層重建，其間采用三維重建中的遮罩（Mask）功能刪除多余的結(jié)構(gòu)如石膏固定板，排除組織結(jié)構(gòu)之間的干擾后，使用表面重建（SSD）、容積重建（VR）及多平面重建（MPR）等方法處理，將圖像任意轉(zhuǎn)動，取最佳角度觀察，也可將VOI的部分進(jìn)行編輯（Edit），并捕獲為512×512的新系列圖組。

2 結(jié)果

本組45例骨折病人中，采用SSD、VR及MPR處理后，骨折端均完整性表現(xiàn)出來，尤其是對較為復(fù)雜的足踝部多處骨折、碎裂、分離、小骨片及游離骨塊的數(shù)量均能很好地顯示，見圖1~4。

3 討論

足踝部由多塊骨骼組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，骨折范圍廣泛，包括踝關(guān)節(jié)、跟骨、距骨、舟骨、楔骨、骰骨及趾骨等骨折，無論哪塊骨折都會引起相應(yīng)癥狀和體征，足部中踝關(guān)節(jié)為人體最大的負(fù)重屈戍關(guān)節(jié)，局部缺乏軟組織保護(hù)，骨折的類型也復(fù)雜多樣，X線片及常規(guī)CT雖然可顯示各型骨折的骨折位置、成角、分離和骨折斷端形態(tài)，但是X線片為平面圖像，對足踝部骨折進(jìn)行全面診斷很困難，而常規(guī)CT掃描為橫軸位掃描，也存在一定的局限性，對骨折部位的大小及移位程度無法立體顯示，缺乏在整體上對骨折的全面認(rèn)識[1]，所以，二者對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的足踝部骨折，往往由于其結(jié)構(gòu)的重疊、干擾，不能準(zhǔn)確地做出診斷，不能確定骨折片及游離塊的準(zhǔn)確位置及其與踝關(guān)節(jié)的相互關(guān)系，甚至于誤診、漏診。國內(nèi)有報道單評踝關(guān)節(jié)X線正側(cè)位平片漏診率為14%[2]，而螺旋CT通過其優(yōu)質(zhì)的二維橫斷圖像及三維重建，可以從不同的角度、多個平面進(jìn)行觀察，克服了X線平片及常規(guī)CT掃描中對此的弊端，它可以全面、準(zhǔn)確地顯示病變的情況，為外科術(shù)前準(zhǔn)備提供重要依據(jù)。

在實際工作中要獲得滿意的三維圖像，提高診斷的準(zhǔn)確性，在掃描中應(yīng)盡量取得病人的合作，力求雙側(cè)對稱，掃描期間禁動，以減少運動偽影，操作時動作要熟練、準(zhǔn)確。選擇好掃描參數(shù)，最好采用1~1.35 mm的層厚，1∶1螺距，1 mm重建掃描，這樣生成的三維圖像就越平滑，同時盡可能放大興趣區(qū)的二維圖像重建，采用旋轉(zhuǎn)圖像，多角度、多平面觀察，在此基礎(chǔ)上，三維重建才能很好地顯示復(fù)雜骨折的解剖關(guān)系及骨外形有無改變等情況。三維圖像質(zhì)量的好壞，取決于層厚，掃描層厚越薄，空間分辨率越高，圖像的逼真性就越好[3]。MPR與VR及SSD各有優(yōu)缺點，MPR重建適用范圍最廣，是一種日常工作中最實用的重建方式，對無錯位的骨折線及骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)病變較VR及SSD有優(yōu)勢；VR重建可調(diào)參數(shù)多，層次豐富，可根據(jù)診斷目的自行設(shè)定重建，在整體性、直觀性方面有較大的優(yōu)勢，VR及SSD對伴有骨皮質(zhì)中斷，骨的主體結(jié)構(gòu)、骨外形、骨折端錯位、骨碎片移位、骨缺損范圍具有優(yōu)勢，對于復(fù)雜骨折、脫位、畸形效果更好[4]，對軟組織及軟骨不佳。三維重建還能發(fā)現(xiàn)一些平片易漏診的細(xì)微骨折及游離骨塊。部分伴有關(guān)節(jié)腔內(nèi)碎骨的病例，由于踝關(guān)節(jié)面與X線束平行，橫斷面CT在發(fā)現(xiàn)碎骨方面有較大的局限性，三維重建起了關(guān)鍵作用[2]。MPR與VR及SSD同時使用，互為補充，重建的數(shù)量以顯示病情和臨床需要為原則，并非越多越好。

三維重建對機器性能、工作站的軟硬件功能要求較高，易受人為因素的干擾，如閾值的選定、操作者的熟練程度、其對解剖結(jié)構(gòu)的熟悉程度以及診斷水平的高低等因素有關(guān)。在實際操作中進(jìn)行三維重建時應(yīng)注意以下幾點：（1）重建的源圖像尺寸應(yīng)相同。（2）重建的源圖像都應(yīng)平行。（3）重建的源圖像的重建中心應(yīng)一致。（4）重建的源圖像越多成像越精確。

總之，螺旋CT掃描在二維橫斷圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維重建對足部骨折、踝關(guān)節(jié)骨折具有較高的診斷價值，能彌補常規(guī)CT橫軸位及X線平片的局限性，提高足部及踝關(guān)節(jié)骨折的檢出率，避免誤診、漏診，為臨床診斷提供更完整的影像資料。

參考文獻(xiàn)：

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