便携式图像与激光融合的三维扫描系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维扫描技术领域，特别是涉及一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统。
【背景技术】
[0002]三维扫描技术是近年来发展起来的一项高新技术，它通过光学测量的方法，能够快速、精确、非接触地获取真实物体的空间位置信息，为科学准确的建立数据模型提供了一种全新的技术手段。三维扫描设备的原理有多种，例如多目摄像头检测法、高速激光雷达扫描法等。但三维扫描设备普遍结构复杂、设备笨重、不宜携带与操作，且价格昂贵。在事故现场、犯罪现场及考古发掘现场这些新的应用场景下，要求三维扫描设备易于携带、操作简单，能快速、准确的采集事发现场的物理空间信息。传统的大型扫描设备显然已不能适应这样的应用场景，很难广泛使用和推广。因此，扫描设备的小型化、便携化是三维扫描技术领域的发展方向。
[0003]此外，基于激光的三维扫描设备，在采集数据时，由于作业范围较大，设备受到位置影响，无法取得某些扫描盲区的数据点，或者物体本身的结构比较复杂，表面细节繁多，在建模时会出现缺口、空洞、长条缝隙或重叠，这些都破坏了模型的完整性，不能准确地建立三维模型。通常补采数据的代价较大或无法实施，导致最终重建的模型不完整或丢失部分区域的细节。而摄像机获取的二维图像独立于激光扫描数据，可以对激光扫描模型中的残缺部分进行适当补充。激光扫描仪采集的距离信息和摄像机采集的色彩信息也具有很强的互补性。两者信息融合之后，使得三维激光点云有了颜色，增强了对场景的描述能力，二维图像则包含了空间距离信息，可直接在图像上进行位置量测分析。
[0004]因此，开发一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统，可快速、便捷、直观、准确地对空间场景信息进行数字化采集与记录已成为急需解决的技术问题。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决现有技术中存在的三维扫描设备结构复杂、设备笨重、不宜携带与操作、且价格昂贵的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统，所述便携式图像与激光融合的三维扫描系统包括:手持式数据采集设备及与所述手持式数据采集设备电连接的控制与数据处理终端；
[0007]所述手持式数据采集设备适于采集激光点云数据、高清图像数据、惯性测量数据，并将数据进行关联回传至所述控制与数据处理终端；
[0008]所述的控制与数据处理终端适于所述手持式数据采集设备的功能参数设置、机械装置的运动控制、激光点云数据处理、图像数据处理、点云与图像数据的融合、三维模型渲染与可视化数据处理算法。
[0009]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述手持式数据采集设备包括:
[0010]三维激光扫描装置，适于采集激光点云数据；
[0011]惯性测量单元，适于采集所述手持式数据采集设备的位姿数据；
[0012]主控单元，与所述三维激光扫描装置、所述惯性测量单元及所述控制与数据处理终端电连接，适于对数据采集的控制及机械装置的运动控制，并将所述三维激光扫描装置及所述惯性测量单元采集的数据传送至所述控制与数据处理终端；
[0013]高速运动摄像机，与所述控制与数据处理终端电连接，适于采集高清图像数据，并将采集的高清图像数据传送至所述控制与数据处理终端。
[0014]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述三维激光扫描装置包括:二维激光扫描雷达、驱动器、大扭矩舵机及机械传动构件；
[0015]所述主控单元通过所述驱动器的接口与所述驱动器电连接，从而控制所述驱动器的状态；所述驱动器与所述大扭矩舵机电连接；所述大扭矩舵机通过所述机械传动构件与所述二维激光扫描雷达连接，所述二维激光扫描雷达在所述机械传动构件的带动下做俯仰的扫描运动。
[0016]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述二维激光扫描雷达的发射光源为低功率红外线激光器，所述低功率红外线激光器采用调制脉冲方式驱动。
[0017]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述主控单元适于所述惯性测量单元的初始化与校准、所述惯性测量单元的数据采集、所述二维激光扫描雷达的数据采集、所述大扭矩舵机的驱动控制；并适于将惯性测量数据、激光扫描数据以及所述大扭矩舵机的旋转角度进行关联后与所述控制与数据处理终端进行通信交互、数据传输。
[0018]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述惯性测量单元集成于所述主控单元上，包括基于MEMS的三轴加速度计、三轴陀螺仪及三轴磁力
i+o
[0019]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述惯性测量单元支持400KHZ快速I2C读写；所述三轴加速度计及所述三轴陀螺仪可感知包括转动或步行的细节运动，所述三轴磁力计可感知真北方向。
[0020]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述高速运动摄像机为具有1SOp分辨率、30fps、超宽视角的运动摄像机；所述高速运动摄像机通过数据线缆将实时影像数据以H.264的编码格式传送至所述控制与数据处理终端。
[0021]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述手持式数据采集设备还包括板载电池，适于为所述手持式数据采集设备供电；所述板载电池受控于所述主控单元，所述主控单元通过对所述板载电池电量信息的采集与计算，有效控制其他单元的工作模式与能耗，以延长所述板载电池的续航时间。
[0022]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述板载电池为可充电锂电池。
[0023]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述手持式数据采集设备还包括设备支架，所述设备支架包括:
[0024]主支架，适于安装所述三维激光扫描装置；
[0025]辅助支架，适于安装所述高速运动摄像机、所述主控单元及所述板载电池；
[0026]手握柄，连接所述主支架及所述辅助支架。
[0027]作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述控制与数据处理终端为便携式笔记本电脑。
[0028]如上所述，本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，具有以下有益效果:将摄像机与激光扫描装置融合，摄像机获取的二维图像独立于激光扫描数据，可以对激光扫描模型中的残缺部分进行适当补充，激光扫描仪采集的距离信息和摄像机采集的色彩信息也具有很强的互补性，二者信息融合之后，使得三维激光点云有了颜色，增强了对场景的描述能力，二维图像则包含了空间距离信息，可直接在图像上进行位置量测分析；本发明的三维扫描系统生产成本低、携带方便、易于操作，且可同时采集激光点云与图像数据，实现了快速、便捷、直观、准确地对空间场景信息进行数字化采集与记录。
【附图说明】
[0029]图1是本发明的三维扫描系统结构框图。
[0030]图2是本发明的三维扫描系统硬件结构示意图。
[0031]图3