一种全向三维激光彩色扫描系统及其方法
【专利摘要】本发明涉及三维彩色点云数据处理与三维场景重建技术领域，一种全向三维激光彩色扫描系统及其方法，其中，系统包括激光扫描仪、高速相机、电控旋转台、导电滑环、编码器、数据采集模块、交换机、伺服驱动器、计算机及设备支架，方法包括以下步骤：1、控制电控旋转台匀速旋转，2、软硬件复合数据同步，3、同步采集数据融合。本发明一是利用软硬件复合数据同步方法，实时同步采集激光线点云、二维图像和旋转角度，同步精度高；二是利用每一个同步时刻的激光线点云与二维图像进行数据融合，实时获取场景的三维彩色点云数据，数据采集实时性好；三是利用每一个同步时刻的二维图像进行数据融合，图像信息量大，融合质量高。
【专利说明】
一种全向三维激光彩色扫描系统及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种全向三维激光彩色扫描系统及其方法，属于三维彩色点云数据处理与三维场景重建技术领域。
【背景技术】
[0002]在数字化现实世界的过程中，三维点云数据记录了物体表面的几何属性和位置信息，二维图像记录了物体表面的颜色信息和纹理信息，二者的深度融合，将形成一种新兴的数字媒体，即三维彩色点云数据，三维彩色点云数据是三维点云数据的进一步发展，可以更加精确地描述现实世界。为了获取场景的三维彩色点云数据就需要构建三维激光彩色扫描系统，其主要由激光扫描仪、数码相机、计算机组成。激光扫描仪获取场景的三维点云数据，数码相机获取场景的二维图像数据，计算机将三维点云数据与二维图像数据进行融合，最终获得场景的三维彩色点云数据。三维激光彩色扫描技术具有较强的理论意义和应用价值，目前已在工业检测、自主导航、逆向工程、虚拟现实和军事国防等领域有了越来越多的应用。
[0003]根据几何结构的不同，三维点云数据可分为两大类:线点云与面点云。目前，激光扫描仪的工作方式一般为线扫描方式，每次扫描可以获取一条由一系列离散点顺序组成的离散曲线，即线点云，该离散曲线(线点云)位于实际场景与激光扫描平面的交线上。为了获取整个场景的面点云，就需要为激光扫描仪外加平移旋转装置，在平移旋转的过程中激光扫描仪实时扫描获取多条线点云，并根据平移位置和旋转角度将这些线点云组合成整个场景的面点云，即场景三维点云数据，以实现整个场景的全面扫描。
[0004]目前，现有三维激光彩色扫描系统主要由激光扫描仪、数码相机、平移旋转台、计算机组成。其工作方式如下:I)平移旋转台带动激光扫描装置平移旋转，并通过平移位置和旋转角度将在平移旋转过程中激光扫描仪获取的多条线点云组合成整个场景的面点云，即场景三维点云；2)数码相机拍摄场景的二维图像;3)计算机对场景的三维点云和二维图像进行融合，形成整个场景的三维彩色点云。上述三维激光彩色扫描装置具有如下问题:I)需首先完成整个场景的三维激光扫描，获取整个场景的三维点云，然后才能与场景的二维图像进行融合，扫描过程中不能实时获取场景的三维彩色点云，三维彩色点云数据采集不具有实时性;2)整个场景的三维点云只与一幅或几幅二维图像进行融合，图像信息少，融合质量低。
【发明内容】
[0005]为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明目的是提供一种结构简单、工作高效的全向三维激光彩色扫描系统及其方法。该系统及其方法一是利用软硬件复合数据同步方法，实时同步采集激光线点云、二维图像和旋转角度，同步精度高;二是利用每一个同步时刻的激光线点云与二维图像进行数据融合，实时获取场景的三维彩色点云数据，数据采集实时性好;三是利用每一个同步时刻的二维图像进行数据融合，图像信息量大，融合质量尚ο
[0006]为了实现上述发明目的，解决已有技术中存在的向题，本发明采取的技术方案是:一种全向三维激光彩色扫描系统，包括激光扫描仪、高速相机、电控旋转台、导电滑环、编码器、数据采集模块、交换机、伺服驱动器、计算机及设备支架，所述设备支架底部通过螺丝固定在电控旋转台上，所述高速相机通过螺丝固定在设备支架顶部，所述激光扫描仪通过螺丝安装在设备支架中间部分，且激光扫描仪光心、高速相机镜头光心及电控旋转台旋转中心三者垂直向下重合，激光扫描仪扫描平面垂直于高速相机成像平面，所述导电滑环和编码器安装在电控旋转台的中心转轴上;所述高速相机和激光扫描仪的网络通信接口分别通过导电滑环的千兆网线与交换机相连，所述交换机通过千兆网线与计算机相连;所述高速相机和激光扫描仪的电源供电接口分别通过导电滑环的电源线与供电电源相连;所述编码器接线端口直接与数据采集模块相连，数据采集模块通过RS-485通信线与计算机相连;所述电控旋转台还包括机械旋转台和伺服电机，伺服电机与伺服驱动器相连，伺服驱动器通过RS-485通信线与计算机相连;所述数据采集模块、交换机、伺服驱动器、计算机分别通过电源线与供电电源相连;所述激光扫描仪的开关量输出端口连接到高速相机的开关量输入端口，激光扫描仪的开关量输出端口还通过导电滑环的信号线连接到数据采集模块的开关量输入端口。
[0007]所述一种全向三维激光彩色扫描系统的三维彩色点云数据采集方法，包括以下步骤:
[0008]步骤1、控制电控旋转台匀速旋转，计算机通过伺服驱动器控制电控旋转台匀速旋转，同时安装在电控旋转台上的激光扫描仪和高速相机也随电控旋转台匀速旋转；
[0009]步骤2、软硬件复合数据同步，在旋转过程中，计算机软件通过千兆网络以一定的主频率向激光扫描仪发送数据采集命令，激光扫描仪接收到数据采集命令后开始扫描场景获取激光线点云，并通过其开关量输出端口向高速相机和数据采集模块的开关量输入端口发送高电平硬件同步采集信号，高速相机接收到硬件同步信号后立刻拍摄场景获取二维图像，数据采集模块接收到硬件同步信号后立刻存储编码器数值获取当前旋转角度，以实现激光线点云、二维图像和旋转角度三者的实时同步，然后，计算机软件向激光扫描仪、高速相机、数据采集模块发送数据读取命令，获取该时刻激光线点云、二维图像和旋转角度；
[0010]步骤3、同步采集数据融合，计算机获取激光线点云、二维图像和旋转角度后，利用相机成像原理，求解相机成像平面和激光扫描平面之间的单应矩阵，获得激光扫描点空间坐标和其像素坐标之间的映射关系，并利用该映射关系实时融合每一个同步时刻的激光线点云和二维图像，获取同步时刻的彩色线点云;在此基础上，利用每一个同步时刻的旋转角度将彩色线点云组合成整个场景的彩色面点云，即可获取整个场景的三维彩色点云数据。
[0011]本发明有益效果是:一种全向三维激光彩色扫描系统的三维彩色点云数据采集方法，包括以下步骤:1、电控旋转台匀速旋转，2、软硬件复合数据同步，3、同步采集数据融合。与已有技术相比，本发明一是利用软硬件复合数据同步方法，实时同步采集激光线点云、二维图像和旋转角度，同步精度高;二是利用每一个同步时刻的激光线点云与二维图像进行数据融合，实时获取场景的三维彩色点云数据，数据采集实时性好;三是利用每一个同步时刻的二维图像进行数据融合，图像信息量大，融合质量高。
【附图说明】
[0012]图1是本发明结构示意图。
[0013]图2是本发明系统框图。
[0014]图3是本发明方法步骤流程图。
[0015]图4是场景三维彩色点云结果图。
[0016]图中:1、高速相机，2、激光扫描仪，3、设备支架，4、电控旋转台。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0018]如图1、2所示，一种全向三维激光彩色扫描系统，包括激光扫描仪2、高速相机1、电控旋转台4、导电滑环、编码器、数据采集模块、交换机、伺服驱动器、计算机及设备支架3，所述设备支架3底部通过螺丝固定在电控旋转台4上，所述高速相机I通过螺丝固定在设备支架3顶部，所述激光扫描仪2通过螺丝安装在设备支架3中间部分，且激光扫描仪2光心、高速相机I镜头光心及电控旋转台4旋转中心三者垂直向下重合，激光扫描仪2扫描平面垂直于高速相机I成像平面，所述导电滑环和编码器安装在电控旋转台4的中心转轴上;所述高速相机I和激光扫描仪2的网络通信接口分别通过导电滑环的千兆网线与交换机相连，所述交换机通过千兆网线与计算机相连;所述高速相机I和激光扫描仪2的电源供电接口分别通过导电滑环的电源线与供电电源相连;所述编码器接线端口直接与数据采集模块相连，数据采集模块通过RS-485通信线与计算机相连;所述电控旋转台4还包括机械旋转台和伺服电机，伺服电机与伺服驱动器相连，伺服驱动器通过RS-485通信线与计算机相连;所述数据采集模块、交换机、伺服驱动器、计算机分别通过电源线与供电电源相连;所述激光扫描仪2的开关量输出端口连接到高速相机I的开关量输入端口，激光扫描仪2的开关量输出端口还通过导电滑环的信号线连接到数据采集模块的开关量输入端口。
[0019]如图3所示，一种全向三维激光彩色扫描系统的三维彩色点云数据采集方法，包括以下步骤:
[0020]步骤1、控制电控旋转台匀速旋转，计算机通过伺服驱动器控制电控旋转台匀速旋转，同时安装在电控旋转台上的激光扫描仪和高速相机也随电控旋转台匀速旋转；
[0021]步骤2、软硬件复合数据同步，在旋转过程中，计算机软件通过千兆网络以一定的主频率向激光扫描仪发送数据采集命令，激光扫描仪接收到数据采集命令后开始扫描场景获取激光线点云，并通过其开关量输出端口向高速相机和数据采集模块的开关量输入端口发送高电平硬件同步采集信号，高速相机接收到硬件同步信号后立刻拍摄场景获取二维图像，数据采集模块接收到硬件同步信号后立刻存储编码器数值获取当前旋转角度，以实现激光线点云、二维图像和旋转角度三者的实时同步，然后，计算机软件向激光扫描仪、高速相机、数据采集模块发送数据读取命令，获取该时刻激光线点云、二维图像和旋转角度；
[0022]步骤3、同步采集数据融合，计算机获取激光线点云、二维图像和旋转角度后，利用相机成像原理，求解相机成像平面和激光扫描平面之间的单应矩阵，获得激光扫描点空间坐标和其像素坐标之间的映射关系，并利用该映射关系实时融合每一个同步时刻的激光线点云和二维图像，获取同步时刻的彩色线点云;在此基础上，利用每一个同步时刻的旋转角度将彩色线点云组合成整个场景的彩色面点云，即可获取整个场景的三维彩色点云数据。
[0023]本发明优点在于:一种全向三维激光彩色扫描系统及其方法，一是利用软硬件复合数据同步方法，实时同步采集激光线点云、二维图像和旋转角度，同步精度高；二是利用每一个同步时刻的激光线点云与二维图像进行数据融合，实时获取场景的三维彩色点云数据，数据采集实时性好;三是利用每一个同步时刻的二维图像进行数据融合，图像信息量大，融合质量高。
【主权项】
1.一种全向三维激光彩色扫描系统，包括激光扫描仪、高速相机、电控旋转台、导电滑环、编码器、数据采集模块、交换机、伺服驱动器、计算机及设备支架，其特征在于:所述设备支架底部通过螺丝固定在电控旋转台上，所述高速相机通过螺丝固定在设备支架顶部，所述激光扫描仪通过螺丝安装在设备支架中间部分，且激光扫描仪光心、高速相机镜头光心及电控旋转台旋转中心三者垂直向下重合，激光扫描仪扫描平面垂直于高速相机成像平面，所述导电滑环和编码器安装在电控旋转台的中心转轴上;所述高速相机和激光扫描仪的网络通信接口分别通过导电滑环的千兆网线与交换机相连，所述交换机通过千兆网线与计算机相连;所述高速相机和激光扫描仪的电源供电接口分别通过导电滑环的电源线与供电电源相连;所述编码器接线端口直接与数据采集模块相连，数据采集模块通过RS-485通信线与计算机相连;所述电控旋转台还包括机械旋转台和伺服电机，伺服电机与伺服驱动器相连，伺服驱动器通过RS-485通信线与计算机相连;所述数据采集模块、交换机、伺服驱动器、计算机分别通过电源线与供电电源相连;所述激光扫描仪的开关量输出端口连接到高速相机的开关量输入端口，激光扫描仪的开关量输出端口还通过导电滑环的信号线连接到数据采集模块的开关量输入端口。2.根据权利要求1所述一种全向三维激光彩色扫描系统的三维彩色点云数据采集方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1、控制电控旋转台匀速旋转，计算机通过伺服驱动器控制电控旋转台匀速旋转，同时安装在电控旋转台上的激光扫描仪和高速相机也随电控旋转台匀速旋转； 步骤2、软硬件复合数据同步，在旋转过程中，计算机软件通过千兆网络以一定的主频率向激光扫描仪发送数据采集命令，激光扫描仪接收到数据采集命令后开始扫描场景获取激光线点云，并通过其开关量输出端口向高速相机和数据采集模块的开关量输入端口发送高电平硬件同步采集信号，高速相机接收到硬件同步信号后立刻拍摄场景获取二维图像，数据采集模块接收到硬件同步信号后立刻存储编码器数值获取当前旋转角度，以实现激光线点云、二维图像和旋转角度三者的实时同步，然后，计算机软件向激光扫描仪、高速相机、数据采集模块发送数据读取命令，获取该时刻激光线点云、二维图像和旋转角度； 步骤3、同步采集数据融合，计算机获取激光线点云、二维图像和旋转角度后，利用相机成像原理，求解相机成像平面和激光扫描平面之间的单应矩阵，获得激光扫描点空间坐标和其像素坐标之间的映射关系，并利用该映射关系实时融合每一个同步时刻的激光线点云和二维图像，获取同步时刻的彩色线点云;在此基础上，利用每一个同步时刻的旋转角度将彩色线点云组合成整个场景的彩色面点云，即可获取整个场景的三维彩色点云数据。
【文档编号】G01B11/00GK105928457SQ201610445425
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】安毅, 孙康, 熊宇聪, 刘倩倩
【申请人】大连理工大学