一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種數(shù)據(jù)濾波方法，特別是一種Ξ維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，為實(shí) 時(shí)在線Ξ維掃描檢測(cè)的研究和開(kāi)發(fā)提供了必要條件，屬于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 理論上說(shuō)，任何電子線路都有電路噪聲，如電阻的熱噪聲、晶體Ξ極管的噪聲等， 通常來(lái)講，運(yùn)類噪聲都非常弱，但由于Ξ維激光掃描儀是基于激光測(cè)距的方式進(jìn)行測(cè)量，信 號(hào)的計(jì)時(shí)精度達(dá)到皮秒（l-12e秒）級(jí)，因此mv級(jí)的噪聲引入都會(huì)對(duì)最終信號(hào)的獲取產(chǎn)生較 大影響。在常規(guī)激光測(cè)距中，可W采用多次平均法進(jìn)行濾除相關(guān)噪聲，如激光測(cè)距機(jī)中，一 般測(cè)距機(jī)的激光頻率為20hz，測(cè)距能力是2秒測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，運(yùn)樣可W通過(guò)近40組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn) 行相關(guān)噪聲的濾除，而在Ξ維激光掃描儀的測(cè)距中，激光的發(fā)射頻率通常都為lOOkhzW上， 且掃描的過(guò)程中機(jī)器的發(fā)射接收部分是不停的旋轉(zhuǎn)，W實(shí)現(xiàn)掃描的過(guò)程，因此每次測(cè)距的 過(guò)程只能進(jìn)行一次，運(yùn)樣的工作原理決定了不可W傳統(tǒng)的多次測(cè)量計(jì)算均值的方式進(jìn)行濾 波處理。
[0003]為了克服運(yùn)一難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們提出了多種基于點(diǎn)云模型的光順去噪算法，由 于Ξ維激光掃描儀獲取的最終數(shù)據(jù)是點(diǎn)云，類似于一種具有空間信息的照片，因此運(yùn)些算 法大多是來(lái)自圖像去噪和網(wǎng)格光順?biāo)惴?，運(yùn)一類算法大都是根據(jù)特征保持進(jìn)行優(yōu)化(具體 參考杜小燕，姜曉峰，吳傳剛等，點(diǎn)云模型的雙邊濾波去噪算法，計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件， Vol.27No.7jul2010)，如基于Laplacian算子的方法、基于最優(yōu)化的方法和簡(jiǎn)單的非迭代 方法。Laplacian光順?lè)椒?，可看作是通過(guò)擴(kuò)散模型中的高頻幾何信息來(lái)達(dá)到光順的目的， 但因其是各向同性的，當(dāng)?shù)啻魏髸?huì)出現(xiàn)頂點(diǎn)漂移W及特征磨損的情況;基于光滑曲面 擬合的算法（具體參考化enB，LeeSJ，BasuS.CachingStrategiesinTranscoding-EnabledProxySystemsforStreamingMediaDistributionNetworks[J].IEEE TransactionsOnMultimedia,2004,6(2) :375-386),其中移動(dòng)最小二乘曲面(MLS)擬合算 法，是將點(diǎn)移動(dòng)到局部擬合的MLS曲面上來(lái)達(dá)到光順去噪的效果。
[0004] 上述諸類算法的主要是基于重建掃描對(duì)象的幾何特征的方式進(jìn)行濾波，主要特點(diǎn) 是可W根據(jù)幾何特征的特點(diǎn)濾除掉各類噪聲，但是其問(wèn)題在于采用運(yùn)種方式進(jìn)行濾波處 理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，必須待所有數(shù)據(jù)掃描完成后，再根據(jù)其空間位置關(guān)系計(jì)算法向、高 斯曲率等信息，系統(tǒng)占用資源高，無(wú)法面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種Ξ維激光掃描儀數(shù) 據(jù)濾波方法，通過(guò)實(shí)際激光信號(hào)與理想激光信號(hào)作差獲取噪聲信號(hào)，并對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行分 類和特征提取，利用提取的噪聲特征設(shè)計(jì)一個(gè)噪聲濾波器，并利用預(yù)設(shè)的闊值確定所設(shè)計(jì) 的噪聲濾波器是否合理，改變激光信號(hào)的強(qiáng)度產(chǎn)生一系列噪聲濾波器，最后從一系列噪聲 濾波器中選取最優(yōu)的噪聲濾波器作為最終的濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，本發(fā)明中的方法實(shí)現(xiàn)了 Ξ維激光掃描儀在數(shù)據(jù)高速采集過(guò)程中，對(duì)影響精度的電子類等噪聲的濾除，提高了Ξ維 激光掃描儀的測(cè)距精度，且可W實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)濾波，最大程度上滿足了Ξ維激光掃描儀 數(shù)據(jù)濾波的需求。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種Ξ維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，步驟如下：
[0007] (1)利用Ξ維激光掃描儀的信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)恒定的激光信號(hào)，該激光信號(hào)通過(guò)光 電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)放大和整形后，采用高頻設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出距離 信息進(jìn)行保存；
[000引（2)模擬出一個(gè)理想數(shù)字信號(hào)作為預(yù)設(shè)信號(hào)，利用該預(yù)設(shè)信號(hào)計(jì)算預(yù)設(shè)距離信息， 并將預(yù)設(shè)距離信息與步驟(1)保存的距離信息進(jìn)行作差運(yùn)算，獲得距離信息差值；
[0009] (3)利用步驟(2)中的距離信息差值和數(shù)據(jù)頻率采用均值聚類計(jì)算出電路噪聲的 特征信息，所述電路噪聲的特征信息包括噪聲頻率和噪聲強(qiáng)度；
[0010] (4)根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，設(shè)計(jì)一個(gè)噪聲濾波器；
[0011] (5)利用步驟(4)設(shè)計(jì)的噪聲濾波器對(duì)步驟(1)中的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波后計(jì)算距離 信息，并與步驟(2)中的預(yù)設(shè)距離信息作差;若差值大于預(yù)設(shè)的闊值，則返回步驟(3)，重新 計(jì)算特征信息;否則，進(jìn)入步驟(6);
[0012] (6)保持步驟（1)中信號(hào)源頻率不變，改變激光信號(hào)的強(qiáng)度，重復(fù)步驟（1)~步驟 (5);
[0013] (7)重復(fù)步驟(1)~步驟(6)Ν次，選擇濾波后數(shù)學(xué)信號(hào)計(jì)算得到的距離信息與預(yù)設(shè) 距離信息之間差值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的噪聲濾波器為最終的噪聲濾波器，利用該噪聲濾波器對(duì)Ξ 維激光掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。
[0014] 所述激光掃描儀為脈沖式激光掃描儀。
[0015] 所述均值聚類為Κ均值聚類。
[0016] 所述的脈沖式激光測(cè)距儀的激光重復(fù)頻率大于等于5Ifflz。
[0017] 所述計(jì)算距離信息和預(yù)設(shè)距離信息的方法具體為:首先通過(guò)高頻時(shí)鐘忍片測(cè)量出 信號(hào)的飛行時(shí)間，然后利用飛行時(shí)間計(jì)算出距離信息和預(yù)設(shè)距離信息。
[0018]所述噪聲濾波器為己特沃斯低通噪聲濾波器。
[0019]所述步驟(5)中的闊值為距離精度均方差的3倍。
[0020] 所述步驟(4)中根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，設(shè)計(jì)一個(gè)噪聲濾波器;具體 為：
[0021] (4-1)給出己特沃斯低通噪聲濾波器的表達(dá)式，具體由公式：
[0022]
[0023] 給出，其中，Ha(jA)為信號(hào)幅度，N為濾波器的階數(shù)，且為整數(shù);C為一個(gè)常數(shù)參數(shù);λ 為頻率；
[0024] (4-2)根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，確定通帶截止頻率和阻帶起始頻率， 并對(duì)通帶截止頻率和阻帶起始頻率進(jìn)行歸一化；
[0025] (4-3)利用歸一化后的通帶截止頻率和阻帶起始頻率，W及預(yù)先給定的通帶衰減 和阻帶衰減，計(jì)算己特沃斯低通噪聲濾波器表達(dá)式中的C和Ν，從而確定己特沃斯低通噪聲 濾波器。
[0026] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0027] (1)本方法通過(guò)對(duì)比電路噪聲與信號(hào)信息的差異的方式，實(shí)現(xiàn)了Ξ維激光掃描儀 在數(shù)據(jù)高速采集過(guò)程中，對(duì)影響精度的電子類等噪聲的濾除，提高了Ξ維激光掃描儀的測(cè) 距精度。
[0028] (2)本方法實(shí)現(xiàn)了掃描數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理濾波，降低了激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理的難度， 可W滿足實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程中去噪的需求。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為信號(hào)傳遞流程圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明噪聲信息計(jì)算流程圖；
[0031 ]圖3為本發(fā)明測(cè)試效果圖；
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0033] 如圖1所示，Ξ維激光掃描儀測(cè)距信息的獲取方法是:首先由激光器產(chǎn)生一個(gè)固定 頻率、固定強(qiáng)度的激光脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)反射鏡后達(dá)到物體的表面;物體表面產(chǎn)生的漫 反射信號(hào)再經(jīng)過(guò)反射鏡發(fā)射后到達(dá)光電探測(cè)器，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由于接收到 的漫反射光非常微弱，轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)必須經(jīng)過(guò)放大器放大后才能由整形板整形成數(shù)字電 路可W接收處理的信號(hào)。
[0034] 在信號(hào)的傳遞過(guò)程中，光電轉(zhuǎn)換模塊、放大電路模塊、整形電路模塊、W及數(shù)字電 路的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等都會(huì)引入噪聲到測(cè)距信號(hào)，為了便于處理，統(tǒng)一將其歸為電磁類噪聲， 其類型的分析為如下：
[0035] 1)電阻的熱噪聲：電阻由導(dǎo)體等材料組成，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在一定的溫度下總 是處于"無(wú)規(guī)則"的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)種熱運(yùn)動(dòng)的方向和速度都是隨機(jī)的。自由電子的熱騷動(dòng) 在導(dǎo)體內(nèi)形成非常弱的電流。電阻熱噪聲作為一種起伏噪聲，具有極寬的頻譜，從零頻一直 延伸到10-13HzW上的頻率，而且它的各個(gè)頻率分量的強(qiáng)度是相等的。
[0036] 2)晶體Ξ極管的噪聲：晶體Ξ極管的噪聲往往比電阻熱噪聲強(qiáng)得多，在晶體Ξ極 管中，除了其中某些分布，如基極電阻rbb/會(huì)產(chǎn)生熱噪聲外，還有散彈(粒)噪聲、分配噪聲、 閃爍噪聲、唱效應(yīng)管噪聲等。由于該噪聲種類繁多，經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，概率噪聲的頻率從10 ~100m下均有分布，但是不同頻率的大小差異較大。
[0037] 各噪聲源是互相獨(dú)立時(shí)，則總的噪聲符合均分方疊加的原則。疊加后的噪聲最終 匯入到測(cè)