专利名称：一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统的制作方法
一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统技术领域
本发明属于激光扫描成像技术领域，具体涉及一种面阵成像与激光扫描组合的三 维成像测量系统。
背景技术：
激光扫描技术是空间数据获取的重要手段之一。激光扫描装置获取扫描目标的激 光点云数据，通常情况下扫描装置上会配置相机等面阵成像设备，由面阵成像设备拍摄扫 描目标区域的RGB影像数据。扫描装置所获取的目标的激光点云数据是建立在扫描装置 局部坐标系下的一系列坐标点，面阵成像设备所采集到的扫描区域内目标的影像坐标是建 立在面阵成像设备的像空间坐标系下的，为实现对扫描目标激光点云数据赋予RGB色彩信 息。为实现扫描数据的实时渲染效果，需对目标激光点云数据与目标影像数据进行匹配。激 光点云数据与影像数据的匹配主要是根据扫描装置建立的局部坐标系下的激光点坐标、面 阵成像设备安置的方位姿态参数，通过几何上的坐标变换公式计算每个激光点对应的影像 坐标，将计算得到的影像坐标的RGB色彩信息赋予与其对应的激光点云坐标点，如此来实 现目标激光点云渲染。
要进行点云数据与影像数据的匹配，首先要获得的是面阵成像设备像平面建立的 局部坐标系对扫描装置的局部坐标系的方位关系，如
图1所示，扫描装置的局部坐标系是 以扫描中心为原点0，电机旋转轴为Z轴，竖直向上为Y轴而建立的CTZ坐标系；面阵成像设 备的像空间坐标系是以像平面中心为原点0'，沿像平面水平方向为X'轴，竖直方向Y' 轴，主光轴方向为Z'轴而建立的X' Y' Z'坐标系，、ω、K分别是X' Y' Z'坐标系 的三个坐标轴与XYZ坐标系的三个坐标轴X、Y、Z之间的空间夹角，(X' s，Y' s, Z' s)是 像空间的中心0'点坐标，通常情况下，面阵成像设备与扫描装置组合于一体时，X^坐标 系与χ' Y' Z'坐标系之间的相对位置关系不确定，需对面阵成像设备进行标定；常用定 标方法是使用经精密加工的标定块，通过建立标定块上三维坐标已知的点与其图像点间的 对应，就能获得面阵成像设备的内外参数，此定标方法可获得较高的精度，但整个设备的定 标过程费时费力。且计算激光点云对应的影像坐标的公式复杂，此过程两坐标系的转换需 通过3次旋转及一次平移的复杂计算。扫描目标的激光点云数据量上千万，其数据量如此 之大，计算公式樊笼复杂，不易实现目标激光点云数据的实时渲染处理。发明内容
本发明的目的是提供一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，能够提 高扫描装置获取的点云数据与相机采集的影像数据之间的匹配解算效率，以弥补现有技术 的不足。
本发明系统中面阵成像设备相机安装在激光扫描装置的外围，确保面阵成像设备 相机的主光轴与激光扫描装置的扫描平面平行或垂直放置，如此激光扫描装置的XYZ坐标 系与面阵成像设备相机的X' Y' Z'坐标系对应的三个坐标轴X'、Υ'、ζ'之间空间夹角φ、ω、K两个为0，另一个空间角度可以在安装面阵成像设备时是按设计角度安装的， 此角度是确定已知的。因此无需通过定标方法对面阵成像设备相机的内外参数进行标定， 省去了大量的烦琐的定标工作，同时简化了激光点云对应影像坐标的公式计算，只需通过 单次的坐标旋转和平移变换就可完成两种坐标系的转换，从而实现了超大点云数据的实时 快速的渲染。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
本发明包括激光扫描装置和安装在激光扫描装置外围的至少一个面阵成像设备 相机，激光扫描装置的扫描坐标系为ΧΥΖ，面阵成像设备相机的影像坐标系为X' Y' Z'， 影像坐标系下点坐标转换到扫描坐标系下点坐标的旋转矩阵公式为
权利要求
1. 一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，包括激光扫描装置(1)和安装 在激光扫描装置(1)外围的至少一个面阵成像设备相机AO)，激光扫描装置(1)的扫描坐 标系为XYZ，面阵成像设备相机A(2)的影像坐标系为X' Y' Z'，且影像坐标系下点坐标 转换到扫描坐标系下点坐标的旋转矩阵公式为
2.如权利要求1所述的成像测量系统，其特征在于上述的激光扫描装置(1)的外围设 有一个面阵成像设备相机AO)，其中面阵成像设备相机Α(2)的光轴空间垂直于激光扫描 装置(1)的扫描面，使空间夹角Φ与κ均为0 ；影像坐标系下点坐标转换到扫描坐标系下 点坐标的旋转矩阵公式为 10 0
3.如权利要求1所述的成像测量系统，其特征在于上述的激光扫描装置(1)的外围设 有一个面阵成像设备相机AO)，其中面阵成像设备相机的A(2)光轴空间平行于激光扫描 装置(1)的扫描面，使空间夹角ω与Κ均为0 ；影像坐标系下点坐标转换到扫描坐标系下 点坐标的旋转矩阵公式为
4.如权利要求1所述的成像测量系统，其特征在于上述的激光扫描装置(1)的外围设 有两个面阵成像设备相机A、8 0、3)，其中面阵成像设备相机々、B(2,3)的光轴分别空间垂 直于激光扫描装置(1)的扫描面，使空间夹角Φ与κ均为0 ；影像坐标系下点坐标转换到 扫描坐标系下点坐标的旋转矩阵公式为
5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于上述的激光扫描装置(1)的外围设有四 个面阵成像设备相机々、8、(、0 0、3、4、5)，其中面阵成像设备相机4、8、(、0(2、3、4、5)的光 轴分别空间平行于激光扫描装置(1)的扫描面，使空间夹角ω与κ均为0。
6.如权利要求1或2或3或4或5中所述的测量系统，其特征在于上述的面阵成像设 备相机A或B或C或D (2,3,4,5)是商业相机、工业相机或各类相机模块中任一种或几种。
全文摘要
本发明涉及一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，包括激光扫描装置和安装在激光扫描装置外围的至少一个面阵成像设备相机，激光扫描装置的扫描坐标系为XYZ，面阵成像设备相机的影像坐标系为X′Y′Z′，、ω、κ分别是影像坐标系与扫描坐标系X的空间夹角，其特征在于面阵成像设备相机光轴与激光扫描装置的扫描面空间平行或垂直，使、ω、κ中的任两个空间夹角值为0。本发明使影像坐标系与扫描坐标系的空间几何关系只需通过单次坐标旋转和单次坐标变换完成，因此能够简化激光点云数据与相机影像采集数据的匹配解算，提高了扫描装置获取的激光点云数据与相机采集的影像数据融合的优越性。
文档编号G01C11/00GK102042825SQ20101053673
公开日2011年5月4日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者张珂殊, 武斌, 黄琴华 申请人:青岛市光电工程技术研究院