一种三维激光扫描与光学照片的合成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于实景复制技术领域，涉及一种图像合成方法。
【背景技术】
[0002]三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
[0003]三维激光扫描技术是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。
[0004]虽然三维激光扫描技术在可迅速、准确建立三维模型，但缺乏色彩效果，可视化效果差，缺乏有效的合成方案。
【发明内容】
[0005]本发明解决的技术问题是:针对三维激光扫描成像结果缺乏光学成像信息，可视化效果差的问题，提供了一种三维激光扫描与光学照片的合成方法，利用与光学摄影照片结合，补充色彩信息，增强激光三维扫描结果的可视化效果。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种三维激光扫描与光学照片的合成方法，包括如下步骤:
[0007](I)利用三维激光扫描仪对待扫描区域进行扫描，获得待扫描区域表面的三维点云数据；
[0008](2)将步骤(I)获取的三维点云数据按照以下三种情况进行划分，分别为:扫描区域距离变化可以忽略的区域zl，扫描区域距离变化非常密集的区域z2，扫面区域距离迅速变化的边缘z3;其中所述的zl为距离分布直方图是一个峰值的区域，所述的z2为距离分布直方图在各个数值都有分布，且分布较为均匀，包络近似为一条直线的区域，所述的z3为距离分布直方图表现为有明显的2个峰值的区域；
[0009](3)光学相机根据激光扫描数据的距离信息进行拍照，对应于Zl情形，将距离峰值返回光学相机，光学相机在距离峰值处拍摄一张光学照片;对应于Z2情形，将距离的平均值返回摄像头，光学相机在距离的平均值处拍摄一张光学照片;对应于Z3情形，将2个距离峰值分别返回给摄像头，光学相机在2个距离峰值处分别拍摄一张光学照片；
[0010](4)利用步骤(3)的方法，对待扫描区域分区域分别进行拍摄，获取光学照片；
[0011](5)三维扫描仪的成像结果和步骤(4)获得的各光学照片分别进行合成，使得对应的点云数据的坐标点同时具有距离信息和色彩信息。
[0012]本发明与现有技术相比的优点在于:虽然三维激光扫描技术在可迅速、准确建立三维模型，但是三维激光扫描得到是距离点阵列信息，只有黑白效果，缺乏可视化效果，无法还原现场的真是效果，不利于结果的展示和呈现。本发明利用三维激光扫描与光学照片合成的方式，针对现有三维激光扫描图像缺乏色彩效果，可视化效果差的现状提出了有效的解决方案，通过将不同的拍摄场景划分成不同的类别，针对不同的类别分别进行光学成像的方式，可以有针对性的获取光学图像，并在此基础上与三维激光扫描的结果进行有效的合成，极大的提高了三维激光扫描成像结果的可视化效果。
【附图说明】
[0013]图1为本发明方法的流程框图；
[0014]图2为本发明zl区域距离分布直方图；
[0015]图3为本发明z2区域距离分布直方图；
[0016]图4为本发明z3区域距离分布直方图；
[0017]图5为光学相机的焦距信息与图像视角信息的对应关系图。
【具体实施方式】
[0018]本发明的总体方案是:S1:扫描仪扫描，对待扫描区域扫描，获得表面的三维点云数据;S2:数据处理，根据相机镜头参数，以及三维点云数据的距离信息，AF对焦并拍照；S3:对拍照照片处理;S4:将三维扫描结果与光学照片合成。
[0019]如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下:
[0020](I)利用三维激光扫描仪对待扫描区域进行扫描，获得待扫描区域表面的三维点云数据；
[0021](2)将步骤(I)获取的三维点云数据按照以下三种情况进行划分，分别为:扫描区域距离变化可以忽略的区域zl，扫描区域距离变化非常密集的区域z2，扫面区域距离迅速变化的边缘z 3。
[0022]zI为距离分布直方图是一个峰值的区域，扫描区域距离变化可以忽略，距离分布直方图表现为是一个峰值，如墙面等景物，具体如图2所示；
[0023]z2为距离分布直方图在各个数值都有分布，且分布较为均匀，包络近似为一条直线的区域，扫描区域距离变化非常密集，例如树丛，具体如图3所示；
[0024]z3为距离分布直方图表现为有明显的2个峰值的区域，扫面区域距离为迅速变化的边缘，例如在建筑物前的柱子，具体如图4所示。
[0025](3)光学相机根据激光扫描数据的距离信息进行拍照，对应于Zl情形，将距离峰值返回光学相机，拍摄一张照片；对应于Z2情形，将距离的平均值返回光学相机，拍摄一张照片;对应于Z3情形，将2个距离峰值分别返回给光学相机，拍摄两张照片，峰值Fl对应于照片P1，峰值F2对应于照片P2。
[0026]这里拍照的参数仅涉及距离一个参数，拍照时采用采用AF自动对焦即可。
[0027](4)利用步骤(3)确定的参数分别进行拍摄，获取光学照片。
[0028]对应于Z3的情况，分2部分，三维扫描的数据，包括点云数据的距离信息，以及点云数据的坐标值。对于Pl，裁剪Fl点云对应的部分作为有效值，对于P2，裁剪F2点云对应的部分作为有效值。
[0029](5)三维扫描仪的成像结果和光学照片色彩内容处理结合成，即对应的点云数据的坐标点，同时具有距离信息和色彩信息。
[0030]三维激光扫描图像有点云的位置信息，光学图像需要相应的位置信息与之对应。
[0031]首先由焦距信息可以得到光学图像的视角信息，如图5所示:
[0032]根据视场角以及中垂线的距离，利用三角形的基本知识，可以很容易的推算出光学照片区域，即可将光学照片中与三维激光扫描的信息一一对应。对应以后即可进行照片的合成。
[0033]实施例1
[0034]S1:扫描仪扫描，对待扫描区域扫描，获得表面的三维点云数据，扫描仪精度为
0.1mm,点云数据为 5000*5000 ；
[0035]S2:对距离信息处理，属于第一种情况，平均距离为3m，在5000*5000个点的情况下，即可推算出扫面范围是在500mm*500mm。
[0036]S3:数据处理，根据相机镜头参数，以及三维点云数据的距离信息，AF对焦并拍照，如相机焦距为80mm，则可知视场角为30度。利用三角形的边角关系，可得出拍照范围是在800m*800m
[0037]S4:将三维扫描结果与光学照片合成。合成时，则选取中间重叠部分，即将光学图片裁剪为500mm*500mm，然后叠加合成。
[0038]实施例2
[0039]S1:扫描仪扫描，对待扫描区域扫描，获得表面的三维点云数据，扫描仪精度为
0.1mm,点云数据为 5000*5000 ；
[0040]S2:对距离信息处理，属于第三种情况，具有2个峰值，平均距离为3m，和5m。同时，在5000*5000个点的情况下，即可推算出扫面范围是在500mm*500mm。
[0041 ] S3:数据处理，根据相机镜头参数，以及三维点云数据的距离信息，AF对焦并拍照，在2个峰值的情况下，则返回2个距离参数，拍着2张照片。如相机焦距分别为80mm、85mm，则可知视场角为30度、28.5度。利用三角形的边角关系，可得出拍照范围是在800m*800m、1200^^ 1200mm ο
[0042]S4:将三维扫描结果与光学照片合成。合成时，则选取中间重叠部分，即将光学图片裁剪为500mm*500mm。同时，在第一个峰值附近的点选取与第一张光学图片做合成，第二个峰值附近的点，与第二张光学图片做合成。然后叠加合成。
[0043]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1.一种三维激光扫描与光学照片的合成方法，其特征在于包括如下步骤: (1)利用三维激光扫描仪对待扫描区域进行扫描，获得待扫描区域表面的三维点云数据； (2)将步骤(I)获取的三维点云数据按照以下三种情况进行划分，分别为:扫描区域距离变化可以忽略的区域zl，扫描区域距离变化非常密集的区域z2，扫面区域距离迅速变化的边缘z 3 ；其中所述的z I为距离分布直方图是一个峰值的区域，所述的z 2为距离分布直方图在各个数值都有分布，且分布较为均匀，包络近似为一条直线的区域，所述的z3为距离分布直方图表现为有明显的2个峰值的区域； (3)光学相机根据激光扫描数据的距离信息进行拍照，对应于Zl情形，将距离峰值返回光学相机，光学相机在距离峰值处拍摄一张光学照片;对应于Z2情形，将距离的平均值返回摄像头，光学相机在距离的平均值处拍摄一张光学照片;对应于Z3情形，将2个距离峰值分别返回给摄像头，光学相机在2个距离峰值处分别拍摄一张光学照片； (4)利用步骤(3)的方法，对待扫描区域分区域分别进行拍摄，获取光学照片； (5)三维扫描仪的成像结果和步骤(4)获得的各光学照片分别进行合成，使得对应的点云数据的坐标点同时具有距离信息和色彩信息。
【专利摘要】一种三维激光扫描与光学照片的合成方法，在三维激光扫描以后，对扫描结果进行数据处理，并对扫描区域分类，结合光学相机参数，综合距离、焦距、视场角等因素，确定拍摄策略，拍照后对照片处理，并与三维扫描结果合成，增强可视化效果。
【IPC分类】G01B11/24, G06T11/00
【公开号】CN105551068
【申请号】CN201510890481
【发明人】才长帅, 李光伟, 闫海, 高其嘉, 曹原, 王晓莉, 陈京平, 李建勋, 冀鑫炜, 石海天, 刘建平, 李静
【申请人】中国人民解放军空军装备研究院雷达与电子对抗研究所
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月7日