一种基于低成本的三维热源环境模型确定环境信息方法与流程

本发明涉及环境建模及信息获取的技术领域，具体是一种利用低成本的二维激光配合机械装置实现对三维环境的建模，再融合热成像仪获取的温度信息，实现对三维热源环境的建模。

背景技术：

近年来，在中国火灾的发生次数以及造成的财产损失和人员伤亡数量呈现上升趋势，火灾已经成为了当今世界中多发性灾害中发生频率较高的一种灾害。针对目前火灾发生频率上升的趋势，以及火场环境对消防人员人身安全的巨大威胁，越来越多的无人设备开始投入到火场中，协助消防部门对火场进行修理。

传统应用于火场无人设备的传感设备普遍为普通摄像头，消防工作人员根据影像数据，并结合自身工作经验从而对火场环境进行判断，确定下一步工作。但这种感知方式未针对火场环境的特殊性进行调整，容易受到光线强弱等因素影响，且仅能够观测到明火，这便对消防工作人员的自身判断能力有着一定的要求，本方法即是希望能够摆脱这一要求，直接获得准确可靠的环境信息，从而确定火场形式。考虑到在火场环境中，温度信息能够为我们确定火势有着极大的帮助，故在感知环境时，也提取环境中的热源信息。

当下针对于建立三维热源模型也已经有了许多研究，但在建立三维模型时，使用的多为rgb-d摄像机或3d激光雷达，而这二者使用时都有些局限性，rgb-d摄像机在距离较远时效果较差，且受光照条件影响较大；3d激光雷达则价格昂贵，不适合在火场等危险场景推广使用。同时在将热成像数据与激光数据融合方面，已有的方法如有对热成像仪进行标定，根据单目slam方法得到三维的温度数据，再与激光数据相融合；亦有通过热成像测量固定平面，进而通过插值的方法对计算测量物体于给定平面之间的角度关系进而对模型进行着色；亦有通过手动测量热成像中特殊点对应的模型中的位置等。但这些方法中热成像仪的焦距在一次使用中无法改变，对于不同规模的场景会因无法正确对焦而成像较为模糊，同时标定热成像仪时，因热成像特殊的特性，无法使用传统方法标定，标定时较为麻烦，需手动参与测量的方法亦不能成为无人设备的感知系统。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于低成本的三维热源环境建模方式获取准确的获取环境的热源信息方法，目的在于避免现有技术的不足之处，在本发明中，使用了二维激光对环境进行三维建模保证了建模的精度和可靠性，同时价格相较于三维激光较为廉价，为其推广使用打下基础，同时利用了热成像的视场角融合热源与空间信息，同时视场角可通过结合预先测量数据与sdk中提供的参数进行确定，使其能够较为准确的获取环境的热源信息，整套方法最终可以快速准确地对三维热源环境建模。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于低成本的三维热源环境模型确定环境信息方法，步骤如下：

步骤1：对热成像进行测量，确定其视场角；

步骤2：利用二维激光设备结合机械装置实现对环境进行三维建模，得到的结果为环境的三维点云模型；

步骤3：使用热成像仪获取环境的热源信息，得到的结果为二维的温度矩阵；

步骤4：将步骤2获得的模型与步骤3获得的温度矩阵根据视场角进行融合，得到具有热源信息三维点云模型；

步骤5：将步骤4获得的点云模型进行三角化，得到最终的三维热源模型，消防无人设备利用所述的三维热源模型确定热源。

进一步地，所述步骤1中，确定视场角的方法为：

通过sdk获取与视场角相关的参数k，通过测量两组k值与对应的视场角大小，即可根据任意时刻的k值确定该时刻的视场角大小。

进一步地，所述步骤2中，获取三维模型的方法为：

使用机械装置快速不断地改变二维激光的扫描平面的角度，再将二维激光扫描获得的多个平面根据扫描时的角度融合在同一个坐标系下，从而得到环境的三维模型。

进一步地，所述步骤4中，融合时利用热成像的视场角大小，对模型进行着色，具体过程为，先将点云模型通过坐标系变换，变换到温度矩阵所在的坐标系下，再根据温度矩阵中每一个温度对应的垂直角度和水平角度(即俯仰角和偏航角)确定对应点云中的点的温度信息，最后再利用色度盘根据温度值对点云进行着色。

进一步地，所述步骤5中，使用贪婪投影三角化算法，根据场景规模设置对应参数，实现点云的三角化。

本发明的原理在于：

一种基于低成本的三维热源环境模型确定环境信息方法，步骤1)：对热成像仪的视场角进行两组测量，分别得到两组不同的视场角大小和其对应的sdk中影响视场角大小的参数的值。进而通过数学推导，可以确定任意时刻的视场角大小。步骤2)：使用机械装置快速不断地改变二维激光测量平面的角度，从而实现在短时间内使用二维激光扫描多个平面，获取同一位置多个平面的距离信息，并根据其每个平面之间的夹角计算出其每个平面上对应的点云中每个点的三维坐标，并将上述多个平面的点云融合在同一坐标系下，得到最终的三维空间信息。其中扫描的平面个数可以根据不同场景不同需求进行适当调整。步骤3)：使用热成像仪获取环境的温度信息，此时可以根据不同需求，调整温度矩阵，如设置闸值，低于闸值的温度令其等于闸值，从而温度凸显大于闸值的区域。步骤4)：按照上述步骤获取三维空间信息，即环境的点云模型，和温度矩阵以及当前视场角后，将环境的点云模型通过坐标系变换变换到热成像仪所处的坐标系下，再计算出点云中各点对应的偏航角与俯仰角，从温度矩阵中选取对应位置的温度，作为该点温度，得到具有温度信息的点云模型。再根据hsl色彩标准，依据温度对点云进行着色，得到以颜色表现温度信息的的点云。步骤5)：将点云利用贪婪投影三角化算法，对其进行三角化增强可视化效果，最终得到环境的三维热源模型。该三维热源模型为消防部门无人设备感知周围环境提供帮助。

本发明的优点在于，避免了现有可靠高精度建模技术中使用到的三维激光雷达价格昂贵的限制，在低成本同时提供可靠精确地环境建模。通过利用二维激光对环境在短时间内扫描多个平面，实现了对环境的三维建模。同时因为利用热成像仪的视场角对温度信息与空间信息进行融合，避免了因焦距不能改变而导致的在不同场景无法对景物进行正确对焦而产生的模糊问题。利用本发明设计的相关技术，可以为消防部门无人设备感知周围环境提供帮助。

同时，由于该技术使用二维激光：通过调整二维激光的角度实现短时间内扫描多个平面进而对三维环境模型进行建模，成本方面远比三维激光容易接受，同时二维激光型号多样，可根据需求选择不同测距范围的激光，规避了rgb-d摄像机远距离效果差的缺点，同时扫描精准度也不受环境光线等因素影响，可靠性较强。扫描平面数也可根据不同需求进行适当调整，从而改变扫描一次所花费的时间，使其适应场景更加广阔。

该技术可以适用于大多数需要对三维热源环境进行建模的场景中，因为该方法能够快速获取环境的三维热源模型。同时其也可以通过调整温度矩阵与颜色之间的换算关系，为用户提供更为个性化的服务，亦可通过调整二维激光扫描平面的个数进而调整对场景模型构建的速度，也可通过调整扫描平面之间的夹角，控制最终建立的三维热源环境模型的精度。

附图说明

图1为本发明一种基于低成本的三维热源环境模型确定环境信息方法实现流程图；

图2为二维激光测量三维环境的流程图；

图3为二维激光扫描面说明图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

利用图1所示的流程图来叙述整套方案的工作流程和细节实施方法。

具体实施步骤如下：

步骤1)：使用二维激光收集环境的三维信息，对环境进行建模。将舵机与二维激光中心垂直对齐进行组装，按照图2的流程进行扫描。二维激光一次采用n个点进行扫描，测量的有效角度为[α1,α2]，有效点序列[sm,sn]，如图3所示。故对于第k个点，该点对应的方位角θk可以通过如下的公式获得：

θk＝(k-m)/n×(α2-α1)+α1

而该点的俯仰角σk则是由舵机此时的旋转角度决定，故该点对应的三维坐标为：

其中，l为二维激光雷达测得的该点与激光雷达之间的距离。故当舵机带动激光雷达转动时，激光雷达对空间中多个平面进行扫描，并将扫描到的点按上述公式保存到笛卡尔坐标系下，最终得到环境的三维模型。

步骤2)：使用热成像仪获取环境的温度信息。使用流程为固定流程，通过sdk可以直接获取温度矩阵，以及焦点绝对位置x，进而有：

k＝cx

其中k为x所代表的实际物理长度，c为固定参数。并且k与f之间的关系为：

f＝fconst+k

而又有视场角ω与f之间的关系为：

故可以根据上述三式，通过一系列数学推导，最终得到：

其中ω3与x3对应的为任意时刻的视场角与焦点绝对位置，ω1、x1，ω2、x2则可通过测量两组视场角与焦点绝对位置获得。故通过数学计算，由焦点绝对位置计算出该时刻的视场角大小。

步骤3)：将温度信息与先前获取的环境模型相融合。通过坐标系变化，将环境模型变换到热成像所对应的坐标系下，再计算出点云中每个点所对应的俯仰角和偏航角，落在视场范围内的点选择温度矩阵上俯仰角与偏航角与其相等的点，落在视场以外的点无温度信息。关于温度矩阵上各点俯仰角与偏航角的计算，可以利用该点在矩阵中的位置确定。

步骤4)：步骤3)结束后，得到具有温度信息的点云，但该温度信息以温度的形式保存，无法直接直观的观测到温度分布情况，故利用hsl色彩模型，将温度信息映射到240°～0°范围内，在此可根据需求调整映射函数，最终得到利用颜色表现温度高低的环境模型。

步骤5)：着色完后，模型仍是以点云的形式存储，故使用贪婪投影三角化算法，通过调整三角化的参数，将整个点云三角化，增强视觉效果。

当上述步骤完成后，最终得到通过颜色表现温度高低的环境模型，至此完成了对三维热源环境的建模。

消防无人机可根据该环境模型迅速确定热源位置，减少灭火所需时间；同时在灭火之后可根据环境模型检测隐藏的二次起火源，减少二次经济损失。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。