一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與三維場景重建技術(shù)領(lǐng)域，一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)及其方法，其中，系統(tǒng)包括激光掃描儀、高速相機(jī)、電控旋轉(zhuǎn)臺、導(dǎo)電滑環(huán)、編碼器、數(shù)據(jù)采集模塊、交換機(jī)、伺服驅(qū)動器、計(jì)算機(jī)及設(shè)備支架，方法包括以下步驟：1、控制電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，2、軟硬件復(fù)合數(shù)據(jù)同步，3、同步采集數(shù)據(jù)融合。本發(fā)明一是利用軟硬件復(fù)合數(shù)據(jù)同步方法，實(shí)時(shí)同步采集激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度，同步精度高；二是利用每一個(gè)同步時(shí)刻的激光線點(diǎn)云與二維圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)時(shí)獲取場景的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性好；三是利用每一個(gè)同步時(shí)刻的二維圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，圖像信息量大，融合質(zhì)量高。
【專利說明】
一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)及其方法，屬于三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與三維場景重建技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在數(shù)字化現(xiàn)實(shí)世界的過程中，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)記錄了物體表面的幾何屬性和位置信息，二維圖像記錄了物體表面的顏色信息和紋理信息，二者的深度融合，將形成一種新興的數(shù)字媒體，即三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以更加精確地描述現(xiàn)實(shí)世界。為了獲取場景的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)就需要構(gòu)建三維激光彩色掃描系統(tǒng)，其主要由激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)組成。激光掃描儀獲取場景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)碼相機(jī)獲取場景的二維圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最終獲得場景的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光彩色掃描技術(shù)具有較強(qiáng)的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，目前已在工業(yè)檢測、自主導(dǎo)航、逆向工程、虛擬現(xiàn)實(shí)和軍事國防等領(lǐng)域有了越來越多的應(yīng)用。
[0003]根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)的不同，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可分為兩大類:線點(diǎn)云與面點(diǎn)云。目前，激光掃描儀的工作方式一般為線掃描方式，每次掃描可以獲取一條由一系列離散點(diǎn)順序組成的離散曲線，即線點(diǎn)云，該離散曲線(線點(diǎn)云)位于實(shí)際場景與激光掃描平面的交線上。為了獲取整個(gè)場景的面點(diǎn)云，就需要為激光掃描儀外加平移旋轉(zhuǎn)裝置，在平移旋轉(zhuǎn)的過程中激光掃描儀實(shí)時(shí)掃描獲取多條線點(diǎn)云，并根據(jù)平移位置和旋轉(zhuǎn)角度將這些線點(diǎn)云組合成整個(gè)場景的面點(diǎn)云，即場景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)場景的全面掃描。
[0004]目前，現(xiàn)有三維激光彩色掃描系統(tǒng)主要由激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、平移旋轉(zhuǎn)臺、計(jì)算機(jī)組成。其工作方式如下:I)平移旋轉(zhuǎn)臺帶動激光掃描裝置平移旋轉(zhuǎn)，并通過平移位置和旋轉(zhuǎn)角度將在平移旋轉(zhuǎn)過程中激光掃描儀獲取的多條線點(diǎn)云組合成整個(gè)場景的面點(diǎn)云，即場景三維點(diǎn)云；2)數(shù)碼相機(jī)拍攝場景的二維圖像;3)計(jì)算機(jī)對場景的三維點(diǎn)云和二維圖像進(jìn)行融合，形成整個(gè)場景的三維彩色點(diǎn)云。上述三維激光彩色掃描裝置具有如下問題:I)需首先完成整個(gè)場景的三維激光掃描，獲取整個(gè)場景的三維點(diǎn)云，然后才能與場景的二維圖像進(jìn)行融合，掃描過程中不能實(shí)時(shí)獲取場景的三維彩色點(diǎn)云，三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集不具有實(shí)時(shí)性;2)整個(gè)場景的三維點(diǎn)云只與一幅或幾幅二維圖像進(jìn)行融合，圖像信息少，融合質(zhì)量低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、工作高效的全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)及其方法。該系統(tǒng)及其方法一是利用軟硬件復(fù)合數(shù)據(jù)同步方法，實(shí)時(shí)同步采集激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度，同步精度高;二是利用每一個(gè)同步時(shí)刻的激光線點(diǎn)云與二維圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)時(shí)獲取場景的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性好;三是利用每一個(gè)同步時(shí)刻的二維圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，圖像信息量大，融合質(zhì)量尚ο
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，解決已有技術(shù)中存在的向題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)，包括激光掃描儀、高速相機(jī)、電控旋轉(zhuǎn)臺、導(dǎo)電滑環(huán)、編碼器、數(shù)據(jù)采集模塊、交換機(jī)、伺服驅(qū)動器、計(jì)算機(jī)及設(shè)備支架，所述設(shè)備支架底部通過螺絲固定在電控旋轉(zhuǎn)臺上，所述高速相機(jī)通過螺絲固定在設(shè)備支架頂部，所述激光掃描儀通過螺絲安裝在設(shè)備支架中間部分，且激光掃描儀光心、高速相機(jī)鏡頭光心及電控旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心三者垂直向下重合，激光掃描儀掃描平面垂直于高速相機(jī)成像平面，所述導(dǎo)電滑環(huán)和編碼器安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺的中心轉(zhuǎn)軸上;所述高速相機(jī)和激光掃描儀的網(wǎng)絡(luò)通信接口分別通過導(dǎo)電滑環(huán)的千兆網(wǎng)線與交換機(jī)相連，所述交換機(jī)通過千兆網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)相連;所述高速相機(jī)和激光掃描儀的電源供電接口分別通過導(dǎo)電滑環(huán)的電源線與供電電源相連;所述編碼器接線端口直接與數(shù)據(jù)采集模塊相連，數(shù)據(jù)采集模塊通過RS-485通信線與計(jì)算機(jī)相連;所述電控旋轉(zhuǎn)臺還包括機(jī)械旋轉(zhuǎn)臺和伺服電機(jī)，伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器相連，伺服驅(qū)動器通過RS-485通信線與計(jì)算機(jī)相連;所述數(shù)據(jù)采集模塊、交換機(jī)、伺服驅(qū)動器、計(jì)算機(jī)分別通過電源線與供電電源相連;所述激光掃描儀的開關(guān)量輸出端口連接到高速相機(jī)的開關(guān)量輸入端口，激光掃描儀的開關(guān)量輸出端口還通過導(dǎo)電滑環(huán)的信號線連接到數(shù)據(jù)采集模塊的開關(guān)量輸入端口。
[0007]所述一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1、控制電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，計(jì)算機(jī)通過伺服驅(qū)動器控制電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺上的激光掃描儀和高速相機(jī)也隨電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)；
[0009]步驟2、軟硬件復(fù)合數(shù)據(jù)同步，在旋轉(zhuǎn)過程中，計(jì)算機(jī)軟件通過千兆網(wǎng)絡(luò)以一定的主頻率向激光掃描儀發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，激光掃描儀接收到數(shù)據(jù)采集命令后開始掃描場景獲取激光線點(diǎn)云，并通過其開關(guān)量輸出端口向高速相機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊的開關(guān)量輸入端口發(fā)送高電平硬件同步采集信號，高速相機(jī)接收到硬件同步信號后立刻拍攝場景獲取二維圖像，數(shù)據(jù)采集模塊接收到硬件同步信號后立刻存儲編碼器數(shù)值獲取當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度三者的實(shí)時(shí)同步，然后，計(jì)算機(jī)軟件向激光掃描儀、高速相機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令，獲取該時(shí)刻激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度；
[0010]步驟3、同步采集數(shù)據(jù)融合，計(jì)算機(jī)獲取激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度后，利用相機(jī)成像原理，求解相機(jī)成像平面和激光掃描平面之間的單應(yīng)矩陣，獲得激光掃描點(diǎn)空間坐標(biāo)和其像素坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，并利用該映射關(guān)系實(shí)時(shí)融合每一個(gè)同步時(shí)刻的激光線點(diǎn)云和二維圖像，獲取同步時(shí)刻的彩色線點(diǎn)云;在此基礎(chǔ)上，利用每一個(gè)同步時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)角度將彩色線點(diǎn)云組合成整個(gè)場景的彩色面點(diǎn)云，即可獲取整個(gè)場景的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0011]本發(fā)明有益效果是:一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法，包括以下步驟:1、電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，2、軟硬件復(fù)合數(shù)據(jù)同步，3、同步采集數(shù)據(jù)融合。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明一是利用軟硬件復(fù)合數(shù)據(jù)同步方法，實(shí)時(shí)同步采集激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度，同步精度高;二是利用每一個(gè)同步時(shí)刻的激光線點(diǎn)云與二維圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)時(shí)獲取場景的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性好;三是利用每一個(gè)同步時(shí)刻的二維圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，圖像信息量大，融合質(zhì)量高。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明系統(tǒng)框圖。
[0014]圖3是本發(fā)明方法步驟流程圖。
[0015]圖4是場景三維彩色點(diǎn)云結(jié)果圖。
[0016]圖中:1、高速相機(jī)，2、激光掃描儀，3、設(shè)備支架，4、電控旋轉(zhuǎn)臺。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0018]如圖1、2所示，一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)，包括激光掃描儀2、高速相機(jī)1、電控旋轉(zhuǎn)臺4、導(dǎo)電滑環(huán)、編碼器、數(shù)據(jù)采集模塊、交換機(jī)、伺服驅(qū)動器、計(jì)算機(jī)及設(shè)備支架3，所述設(shè)備支架3底部通過螺絲固定在電控旋轉(zhuǎn)臺4上，所述高速相機(jī)I通過螺絲固定在設(shè)備支架3頂部，所述激光掃描儀2通過螺絲安裝在設(shè)備支架3中間部分，且激光掃描儀2光心、高速相機(jī)I鏡頭光心及電控旋轉(zhuǎn)臺4旋轉(zhuǎn)中心三者垂直向下重合，激光掃描儀2掃描平面垂直于高速相機(jī)I成像平面，所述導(dǎo)電滑環(huán)和編碼器安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺4的中心轉(zhuǎn)軸上;所述高速相機(jī)I和激光掃描儀2的網(wǎng)絡(luò)通信接口分別通過導(dǎo)電滑環(huán)的千兆網(wǎng)線與交換機(jī)相連，所述交換機(jī)通過千兆網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)相連;所述高速相機(jī)I和激光掃描儀2的電源供電接口分別通過導(dǎo)電滑環(huán)的電源線與供電電源相連;所述編碼器接線端口直接與數(shù)據(jù)采集模塊相連，數(shù)據(jù)采集模塊通過RS-485通信線與計(jì)算機(jī)相連;所述電控旋轉(zhuǎn)臺4還包括機(jī)械旋轉(zhuǎn)臺和伺服電機(jī)，伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器相連，伺服驅(qū)動器通過RS-485通信線與計(jì)算機(jī)相連;所述數(shù)據(jù)采集模塊、交換機(jī)、伺服驅(qū)動器、計(jì)算機(jī)分別通過電源線與供電電源相連;所述激光掃描儀2的開關(guān)量輸出端口連接到高速相機(jī)I的開關(guān)量輸入端口，激光掃描儀2的開關(guān)量輸出端口還通過導(dǎo)電滑環(huán)的信號線連接到數(shù)據(jù)采集模塊的開關(guān)量輸入端口。
[0019]如圖3所示，一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法，包括以下步驟:
[0020]步驟1、控制電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，計(jì)算機(jī)通過伺服驅(qū)動器控制電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺上的激光掃描儀和高速相機(jī)也隨電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)；
[0021]步驟2、軟硬件復(fù)合數(shù)據(jù)同步，在旋轉(zhuǎn)過程中，計(jì)算機(jī)軟件通過千兆網(wǎng)絡(luò)以一定的主頻率向激光掃描儀發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，激光掃描儀接收到數(shù)據(jù)采集命令后開始掃描場景獲取激光線點(diǎn)云，并通過其開關(guān)量輸出端口向高速相機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊的開關(guān)量輸入端口發(fā)送高電平硬件同步采集信號，高速相機(jī)接收到硬件同步信號后立刻拍攝場景獲取二維圖像，數(shù)據(jù)采集模塊接收到硬件同步信號后立刻存儲編碼器數(shù)值獲取當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度三者的實(shí)時(shí)同步，然后，計(jì)算機(jī)軟件向激光掃描儀、高速相機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令，獲取該時(shí)刻激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度；
[0022]步驟3、同步采集數(shù)據(jù)融合，計(jì)算機(jī)獲取激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度后，利用相機(jī)成像原理，求解相機(jī)成像平面和激光掃描平面之間的單應(yīng)矩陣，獲得激光掃描點(diǎn)空間坐標(biāo)和其像素坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，并利用該映射關(guān)系實(shí)時(shí)融合每一個(gè)同步時(shí)刻的激光線點(diǎn)云和二維圖像，獲取同步時(shí)刻的彩色線點(diǎn)云;在此基礎(chǔ)上，利用每一個(gè)同步時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)角度將彩色線點(diǎn)云組合成整個(gè)場景的彩色面點(diǎn)云，即可獲取整個(gè)場景的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0023]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)及其方法，一是利用軟硬件復(fù)合數(shù)據(jù)同步方法，實(shí)時(shí)同步采集激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度，同步精度高；二是利用每一個(gè)同步時(shí)刻的激光線點(diǎn)云與二維圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)時(shí)獲取場景的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性好;三是利用每一個(gè)同步時(shí)刻的二維圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，圖像信息量大，融合質(zhì)量高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)，包括激光掃描儀、高速相機(jī)、電控旋轉(zhuǎn)臺、導(dǎo)電滑環(huán)、編碼器、數(shù)據(jù)采集模塊、交換機(jī)、伺服驅(qū)動器、計(jì)算機(jī)及設(shè)備支架，其特征在于:所述設(shè)備支架底部通過螺絲固定在電控旋轉(zhuǎn)臺上，所述高速相機(jī)通過螺絲固定在設(shè)備支架頂部，所述激光掃描儀通過螺絲安裝在設(shè)備支架中間部分，且激光掃描儀光心、高速相機(jī)鏡頭光心及電控旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心三者垂直向下重合，激光掃描儀掃描平面垂直于高速相機(jī)成像平面，所述導(dǎo)電滑環(huán)和編碼器安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺的中心轉(zhuǎn)軸上;所述高速相機(jī)和激光掃描儀的網(wǎng)絡(luò)通信接口分別通過導(dǎo)電滑環(huán)的千兆網(wǎng)線與交換機(jī)相連，所述交換機(jī)通過千兆網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)相連;所述高速相機(jī)和激光掃描儀的電源供電接口分別通過導(dǎo)電滑環(huán)的電源線與供電電源相連;所述編碼器接線端口直接與數(shù)據(jù)采集模塊相連，數(shù)據(jù)采集模塊通過RS-485通信線與計(jì)算機(jī)相連;所述電控旋轉(zhuǎn)臺還包括機(jī)械旋轉(zhuǎn)臺和伺服電機(jī)，伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器相連，伺服驅(qū)動器通過RS-485通信線與計(jì)算機(jī)相連;所述數(shù)據(jù)采集模塊、交換機(jī)、伺服驅(qū)動器、計(jì)算機(jī)分別通過電源線與供電電源相連;所述激光掃描儀的開關(guān)量輸出端口連接到高速相機(jī)的開關(guān)量輸入端口，激光掃描儀的開關(guān)量輸出端口還通過導(dǎo)電滑環(huán)的信號線連接到數(shù)據(jù)采集模塊的開關(guān)量輸入端口。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種全向三維激光彩色掃描系統(tǒng)的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1、控制電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，計(jì)算機(jī)通過伺服驅(qū)動器控制電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺上的激光掃描儀和高速相機(jī)也隨電控旋轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)； 步驟2、軟硬件復(fù)合數(shù)據(jù)同步，在旋轉(zhuǎn)過程中，計(jì)算機(jī)軟件通過千兆網(wǎng)絡(luò)以一定的主頻率向激光掃描儀發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，激光掃描儀接收到數(shù)據(jù)采集命令后開始掃描場景獲取激光線點(diǎn)云，并通過其開關(guān)量輸出端口向高速相機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊的開關(guān)量輸入端口發(fā)送高電平硬件同步采集信號，高速相機(jī)接收到硬件同步信號后立刻拍攝場景獲取二維圖像，數(shù)據(jù)采集模塊接收到硬件同步信號后立刻存儲編碼器數(shù)值獲取當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度三者的實(shí)時(shí)同步，然后，計(jì)算機(jī)軟件向激光掃描儀、高速相機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令，獲取該時(shí)刻激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度； 步驟3、同步采集數(shù)據(jù)融合，計(jì)算機(jī)獲取激光線點(diǎn)云、二維圖像和旋轉(zhuǎn)角度后，利用相機(jī)成像原理，求解相機(jī)成像平面和激光掃描平面之間的單應(yīng)矩陣，獲得激光掃描點(diǎn)空間坐標(biāo)和其像素坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，并利用該映射關(guān)系實(shí)時(shí)融合每一個(gè)同步時(shí)刻的激光線點(diǎn)云和二維圖像，獲取同步時(shí)刻的彩色線點(diǎn)云;在此基礎(chǔ)上，利用每一個(gè)同步時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)角度將彩色線點(diǎn)云組合成整個(gè)場景的彩色面點(diǎn)云，即可獲取整個(gè)場景的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01B11/00GK105928457SQ201610445425
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】安毅, 孫康, 熊宇聰, 劉倩倩
【申請人】大連理工大學(xué)