CN103208186B - 一种激光三维扫描车辆的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光三维扫描车辆装置，包括：激光发射模块，用于发射激光光束；垂直运动控制模块，用于控制激光发射模块发射的激光光束沿垂直车辆运动方向摆动生成激光扫描面；平行运动控制模块，用于控制激光扫描面沿车辆运动方向摆动生成三维扫描区域；激光接收模块，用于接收车辆通过三维扫描区域时反射回来的反射光信号；数据转换模块，用于将反射光信号转换为距离信号；数据分析模块，用于根据距离信号生成车辆信息。本发明可以准确地确定车辆外型，提升交通情况调查质量，防止漏检和误检等现象发生。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用技术领域，具体地讲一种激光三维扫描车辆的方法及装置。
背景技术
交通情况调查是交通运输行业宏观管理和决策的基础，也是我们认识交通运输活动的有力武器，是反映交通运输发展规律的重要手段。目前，我国公路交通情况观测站点采用的自动化采集设备就其采用的技术实现方式来说，主要分为接触式和非接触式两大类。接触式主要包括地感线圈检测方式、压电称重检测方式等；非接触式主要包括视频图像识别方式、超声波检测方式等。
地感线圈检测方式通过预先铺设在公路下的线圈，车辆通过时线圈中电流的变化检测车辆。这种检测方式施工需要破坏路面，只能提供诸如车辆计数、车辆速度等有限的检测信息，并且线圈在实际使用中的寿命较短。压电称重检测方式一般是采用压电膜、线圈、压电膜的布局方式，兼有压电膜和线圈两者的优点，具有成本低、车型分类精度高、不受气候影响等优势，并且更适合在较高车速的情况下应用，缺点是破坏路面并且在低速、拥堵以及车辆异常行驶时，车型分类以及检测精度降低。
视频图像识别方式通过对图像的分析处理提取出有效信息，根据信息进行车辆检测和车型识别。这种技术还很不成熟，受环境光线影响较大，还需大量的研究工作。超声波检测方式在高速公路上应用比较多，它不需破坏路面，也不受路面变形的影响，而且使用寿命长、可移动、架设方便。其不足之处在于检测范围呈锥形，受车辆遮挡和行人的影响，反射信号不稳定，检测精度较差另外其精度也易受环境的影响，尤其是大风、暴雨等自然条件的影响，容易造成误检。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光三维扫描车辆装置，以实现车辆外型的三维扫描与车辆追踪，解决交通情况调查中的车流量、车型、车速等准确统计的问题，提高准确率，防止漏检、误检现象。该装置包括：
激光发射模块，用于发射激光光束；
垂直运动控制模块，用于控制所述激光发射模块发射的激光光束沿垂直车辆运动方向摆动生成激光扫描面；
平行运动控制模块，用于控制所述激光扫描面沿车辆运动方向摆动生成三维扫描区域；
激光接收模块，用于接收车辆通过所述三维扫描区域时反射回来的反射光信号；
数据转换模块，用于将所述的反射光信号转换为距离信号；
数据分析模块，用于根据所述的距离信号生成车辆信息。
本发明一实施例中，所述的车辆信息包括：车辆速度、车辆加速度、车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
本发明的激光三维扫描车辆装置，还包括：追踪运动控制模块，用于根据所述数据处理模块生成的车辆速度控制激光发射模块追踪扫描车辆的追踪扫描速度。
本发明实施例中，数据分析模块包括：
距离分析模块，使用迭代算法计算车辆速度和追踪扫描速度生成距离扫描图像；
车型分析模块，用于对所述距离扫描图像进行组帧处理，确定车辆三维外型，生成车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
本发明的激光三维扫描车辆装置，还包括：数据处理模块，用于保存、显示和输出所述车辆信息。
本发明还提供了一种激光三维扫描车辆方法，以实现车辆外型的三维扫描与车辆追踪，解决交通情况调查中的车流量、车型、车速等准确统计的问题，提高准确率，防止漏检、误检现象。该方法包括：
控制一激光器发射的激光光束沿垂直车辆运动方向摆动生成激光扫描面；
控制所述激光扫描面沿车辆运动方向摆动生成三维扫描区域；
接收车辆通过所述三维扫描区域时反射回来的反射光信号；
将所述的反射光信号转换为距离信号；
根据所述的距离信号生成车辆信息。
本发明一实施例中，所述的车辆信息包括：车辆速度、车辆加速度、车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
本发明一实施例中，根据生成的车辆速度控制所述激光器追踪扫描车辆的追踪扫描速度。
本发明一实施例中，所述的根据所述的距离信号生成车辆信息包括：
使用迭代算法计算车辆速度和追踪扫描速度生成距离扫描图像；
对距离扫描图像进行组帧处理，确定车辆三维外型，生成车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
本发明一实施例中，所述的方法还包括：保存、显示和输出所述车辆信息。
本发明实施例公开的方法及装置的有益效果在于，采用激光三维扫描，具有非接触，不受环境光线影响，响应速度快；能够追踪扫描车辆外型，准确获得车辆外型轮廓，获取车辆速度、判断车辆类型等；防止漏检、误检，预防变速行驶等良好优点，可提升交通情况调查质量。本发明方案不仅能大大提高交通情况调查的准确率，还能有效地防止漏检、误检等现象发生。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的激光三维扫描车辆装置的框图；
图2为本发明公开的激光三维扫描车辆方法的流程图；
图3为本发明实施例一激光三维扫描车辆外型方法流程图；
图4为本发明实施例一中激光三维扫描测量光幕示意图；
图5为本发明实施例一中车头通过扫描横截面B时示意图；
图6为本发明实施例一中车头已经驶出三维扫描区域示意图；
图7为本发明实施例一中车辆运行至激光器左下方示意图；
图8为本发明实施例二公开的激光三维扫描车辆装置的框图；
图9为本发明实施例二激光三维扫描车辆外型装置工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明公开的激光三维扫描车辆装置的框图，本发明的激光三维扫描车辆装置10包括：
激光发射模块101，用于发射激光光束；
垂直运动控制模块102，用于控制激光发射模块发射的激光光束沿垂直车辆运动方向摆动生成激光扫描面；
平行运动控制模块103，用于控制激光扫描面沿车辆运动方向摆动生成三维扫描区域；
激光接收模块104，用于接收车辆通过三维扫描区域时反射回来的反射光信号；
数据转换模块105，用于将反射光信号转换为距离信号；
数据分析模块106，用于根据距离信号生成车辆信息，本发明实施例中的车辆信息包括：车辆速度、车辆加速度、车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
追踪运动控制模块107，用于根据数据处理模块生成的车辆速度控制激光发射模块追踪扫描车辆的追踪扫描速度；数据处理模块108，用于保存、显示和输出车辆信息。
本发明的数据分析模块包括：距离分析模块，使用迭代算法计算车辆速度和追踪扫描速度生成距离扫描图像；车型分析模块，用于对距离扫描图像进行组帧处理生成车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
本发明还提供了一种激光三维扫描车辆方法，如图2所示，该方法包括：
步骤S101，控制一激光器发射的激光光束沿垂直车辆运动方向摆动生成激光扫描面；
步骤S102，控制激光扫描面沿车辆运动方向摆动生成三维扫描区域；
步骤S103，接收车辆通过三维扫描区域时反射回来的反射光信号；
步骤S104，将反射光信号转换为距离信号；
步骤S105，根据距离信号生成车辆信息。车辆信息包括：车辆速度、车辆加速度、车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息
本发明的方法还包括步骤S106，根据生成的车辆速度控制激光器追踪扫描车辆的追踪扫描速度。
本发明中根据距离信号生成车辆信息包括：
使用迭代算法计算车辆速度和追踪扫描速度生成距离扫描图像；
对距离扫描图像进行组帧处理生成车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
下面结合具体的实施例对本发明技术方案做进一步详细说明。
实施例一
本发明实施例提供一种激光三维扫描车辆外型方法，如图3所示，该方法包括：
步骤S301：使用运动控制单元驱动至少一束脉冲式激光形成三维距离测量光幕。
图4为激光三维扫描测量光幕示意图，运动控制单元驱动脉冲式激光形成如图4所示的三维距离测量光幕。为方便进行实施例的进一步描述，此处定义以下参数：
VAr：激光器沿垂直车辆行驶方向的扫描的角度分辨率，即激光器沿垂直车辆行驶方向每VAr度扫描一个点，形成一个距离信息；
VSa：激光器沿垂直车辆行驶方向的扫描的有效角度，在该有效角度内，可形成VSa/VAr个有效距离扫描点；
PAr：激光器沿平行车辆行驶方向的扫描的角度分辨率，即激光器沿垂直车辆行驶方向每PAr度扫描一个扫描面；
PSa：激光器沿平行车辆行驶方向的扫描的有效角度，在该有效角度内，可形成PSa/PAr个有效扫描面；
则车辆每完成一次三维区域扫描，能够形成（VSa/VAr）*（PSa/Par）个距离点，此处将其组合形成一帧数据。
如图4所示，激光光束沿垂直车辆行驶方向进行扫描，每条扫描光束形成一个距离扫描点，扫描分辨率VAr即为所述垂直车辆行驶方向扫描角度分辨率；当激光光束运行完设定角度，则形成了一个距离扫描面VSa；运动控制单元驱动激光器沿平行车辆行驶方向扫描，扫描分辨率Par即为平行车辆行驶方向扫描角度分辨率，沿平行车辆方向每运动一个角度，形成一个距离扫描面；当运行完设定角度，则形成PSa/Par个有效扫描面，组合形成三维扫描区域。
步骤S302：当车辆进入激光扫描区域时，感知车辆进入状态，记录车辆某特征通过任意两扫描横截面的时间差。
图5-图7为激光三维扫描车辆外型方法工作原理图，车辆通过激光器的情况依次如图5、图6、图7所示。
图5为车辆刚进入扫描区域时状态。当车头通过扫描横截面A时，根据获取的扫描横截面A的变化，感知车辆进入状态，并记录车头通过扫描横截面A的时间T1。
步骤S303：根据所述车辆特征通过所述任意两扫描横截面的时间差、所述任意两扫描横截面在所述车辆特征通过区域内的间距，获得车辆初始瞬时速度。
如图5所示，车头通过扫描横截面B时，根据获取的扫描横截面B的变化，感知车头通过该横截面，并记录车头通过扫描横截面B的时间T2，M为激光器旋转方向，箭头F所示为车辆行驶方向。
已知所述扫描横截面A、B间的角度，激光器距离地面的距离，可得出车辆在通过所述扫描横截面A、B时运行的距离ΔD。车辆初始瞬时速度V如式1所示：
V=ΔD/(T2-T1) (1)
步骤S304：根据车辆初始瞬时速度，调整激光器追踪速度，进而修正所述任意两扫描横截面在所述车辆特征通过区域内的间距。
首先，根据获得的车辆初始瞬时速度V，调整激光器追踪速度v，且追踪速度v小于车辆瞬时速度V；
然后，通过调整激光器追踪速度v，调整所述扫描横截面之间的间距d，改变车辆通过所述任意两扫描横截面的距离ΔD，进而修正车辆瞬时速度V。
步骤S305：重复步骤S301至步骤S304，使用迭代算法获取准确的车辆速度和追踪速度，对车辆进行追踪扫描，获得距离扫描图像。
如图6所示，车头已经驶出三维扫描区域，激光器追踪车辆到图6中所述位置。此时，根据车辆中相关特征判断车辆通过任意两扫描横截面的时间、所述任意两扫描横截面时间内所述车辆特征通过的距离。
图6中，车辆中部有一凸起特征，当车辆凸起通过扫描横截面C、D时，记录车辆通过所述扫描横截面C、D的时间，计算所述扫描横截面C、D时间内，所述车辆特征运行的距离，且根据此时激光器追踪速度，可得出此时车辆瞬时速度，N为激光器旋转方向，箭头F所示为车辆行驶方向。
如图7所示，车辆运行至激光器左下方，激光器追踪车辆到图中所述位置。此时，激光器以车尾为特征，同上述图5、6，进行车辆瞬时速度计算，箭头F所示为车辆行驶方向。
根据车辆瞬时速度，调整激光器追踪速度，形成迭代算法，获得更加准确的车辆速度和追踪速度，对车辆进行追踪扫描，获得距离扫描图像，直至车辆驶出激光扫描区域。
步骤S306：根据距离扫描图像，重建车辆三维外型轮廓，获得车辆准确外型，判断车辆类型。
车辆通过扫描横截面A时，产生VSa/VAr个距离点，分别为dA1、dA2…dAVSa/VAr；车辆通过扫描横截面B时，产生VSa/VAr个距离点，分别为dB1、dB2…dBVSa/VAr个距离点；车辆通过第N个扫描横截面时，产生VSa/VAr个距离点，分别为dn1、dn2…dnVSa/VAr个距离点。车辆通过激光器所有扫描横截面A、B…PSa/Par，即激光器在所述有效角度内完成一次扫描，则形成一帧数据，每帧数据包含(VSa/VAr)*(PSa/PAr)个距离扫描点。根据获得的帧数据，形成一帧扫描图像。
根据不断追踪获得的帧扫描图像，对图像进行融合处理，重建车辆三维外型轮廓，获取车辆准确外型；根据车辆准确外型，获取车辆长度、宽度、高度等尺寸信息，输入到设定的神经网络中，判断车辆类型。本发明可对车辆进行追踪扫描，同时为节省资源，延长激光器使用寿命，可以根据接收到的反射光线的变换，确定是否有车辆进入扫描区，当未感知车辆进入扫描区域时，激光器进行稀疏扫描；当感知到车辆进入时，对车辆进行密集扫描，即将激光扫描点全部扫描在车辆上，增加对车辆外型的扫描，从而提高激光器的工作效率。
具体实施过程中，神经网络可取三层BP神经网络，输入层为车辆尺寸信息，输出层为车辆类型。本发明实施例中激光器垂直车辆行驶方向旋转或/和摆动有效角度为60～170度，沿车辆行驶方向旋转或/和摆动有效角度为30～120度，追踪旋转或/和摆动有效角度为20～160度。
由以上描述可知，通过形成的三维扫描区域，对车辆进行三维扫描，可获取车辆瞬时速度信息；然后根据车辆瞬时速度，调整激光器追踪速度，可修正所述任意两扫描横截面在所述车辆特征通过区域内的间距，获得准确的车辆速度和追踪速度；对车辆进行追踪扫描，准确获得车辆三维外型，判断车辆类型。相比于现有技术，本发明实施例可对车辆进行追踪扫描，提高交通情况调查准确率，防止漏检、误检等现象发生。
实施例二
本发明实施例还提供一种激光三维扫描车辆外型装置，优选地用于实现上述实施例一中的方法，如图8所示，该装置包括：
激光发射接收单元801，用于发射至少一束激光，并接收返回的光信号。具体包括：
激光发射模块：用于发射至少一束激光，激光由激光源射出，经过准直模块后，直接或间接打到被侧物体上；
激光接收模块：用于接收漫反射回来的光线，并对反射回来的光线进行会聚，增强光信号。
运动控制单元802：用于控制激光发射接收单元或/和激光光束的三维运动，包括垂直车辆行驶方向旋转或/和摆动、沿车辆行驶方向旋转或/和摆动、激光器追踪旋转或/和摆动。具体包括：
垂直运动控制模块：用于控制激光发射接收单元或/和至少一束激光光束沿垂直车辆行驶方向旋转或/和摆动，将逐点距离扫描形成至少一个扫描面；
平行运动控制模块：用于控制所述至少一个扫描面沿车辆行驶方向旋转或/和摆动，将所述至少一个扫描面形成一个三维扫描区域；
追踪运动控制模块：用于控制所述三维扫描区域沿车辆行驶方向按照追踪速度旋转或/和摆动，对车辆进行追踪。
数据转换单元803：用于转换光信号，将光信号转换为距离信号，包括：
光—电转换模块：用于将会聚后的光信号转换为电信号，并将电信号放大到电—距离转换模块可识别的范围内；
电—距离转换模块：用于将电信号转换为时间信号，然后将时间信号转换为距离信号。
数据处理单元804：用于处理获取的距离扫描信息，保存处理后的信息，显示输出车辆车型、速度等信息。具体包括：
数据分析模块：将扫描数据组帧，对组帧后的图像进行三维重建，获取获得车辆长度、宽度、高度等尺寸信息和速度、车型信息，分析获得机动车交通量、车头时距、跟车百分比、车头间距、时间占有率等统计信息；
数据处理模块：用于保存、显示或/和输出处理的车辆信息。
图9为激光三维扫描车辆外型装置80的工作原理示意图。如图9所示，运动控制单元802驱动激光发射接收单元801，通过垂直车辆行驶方向、平行车辆行驶方向运动，形成三维激光扫描区域90；当车辆通过三维激光扫描区域时，数据转换单元803负责对激光接收模块接收的光信号进行转换；数据处理单元804负责对转换后的数据进行处理，计算车辆速度，调整追踪速度等；车辆在扫描区域内行驶时，运动控制单元802的追踪运动控制模块驱动激光器，追踪扫描车辆；当车辆行驶出激光扫描区域后，数据处理单元804负责对扫描的数据进行组帧、建模、运算等处理，显示或/和输出车辆信息。
由以上描述可知，通过运动控制单元驱动激光器进行运动，数据转换单元、数据处理单元对获得的数据信息进行转换、处理，可实现对车辆的追踪扫描，获得车辆的准确三维外型，判断车辆类型。相比于现有技术，本发明实施例可对车辆进行追踪扫描，提高交通情况调查准确率，防止漏检、误检等现象发生。
综上所述，本发明实施例可提升交通情况调查质量，具有非接触、寿命长、准确度高，实时追踪扫描，防止漏检、误检等优点，且后期维护量小。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种激光三维扫描车辆方法，其特征在于，所述的方法包括：
控制一激光器发射的激光光束沿垂直车辆运动方向摆动生成激光扫描面；
控制所述激光扫描面沿车辆运动方向摆动生成三维扫描区域；
接收车辆通过所述三维扫描区域时反射回来的反射光信号；
将所述的反射光信号转换为距离信号；
根据所述的距离信号生成车辆信息，所述车辆信息包括车辆速度；其中，
根据生成的车辆速度调整所述激光扫描面的扫描密度和所述三维扫描区域的范围；
根据所述的车辆速度控制所述激光器的追踪速度；
所述的根据距离信号生成车辆信息包括：
使用迭代算法计算车辆速度和追踪速度生成距离扫描图像；
对所述距离扫描图像进行组帧处理，确定车辆外型，生成车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
2.如权利要求1所述的激光三维扫描车辆方法，其特征在于，所述的车辆信息还包括：车辆加速度、车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
3.如权利要求1所述的激光三维扫描车辆方法，其特征在于，所述的方法还包括：保存、显示和输出所述车辆信息。
4.一种激光三维扫描车辆装置，其特征在于，所述的装置包括：
激光发射模块，用于发射激光光束；
垂直运动控制模块，用于控制所述激光发射模块发射的激光光束沿垂直车辆运动方向摆动生成激光扫描面；
平行运动控制模块，用于控制所述激光扫描面沿车辆运动方向摆动生成三维扫描区域；
激光接收模块，用于接收车辆通过所述三维扫描区域时反射回来的反射光信号；
数据转换模块，用于将所述的反射光信号转换为距离信号；
数据分析模块，用于根据所述的距离信号生成车辆信息，所述车辆信息包括车辆速度；
扫描参数控制模块，用于根据生成的车辆速度调整所述激光扫描面的扫描密度和所述三维扫描区域的范围；
追踪运动控制模块，用于根据所述的车辆速度控制所述激光器的追踪速度；其中，
所述的数据分析模块包括：
距离分析模块，使用迭代算法计算车辆速度和追踪速度生成距离扫描图像；
车型分析模块，用于对所述距离扫描图像进行组帧处理，确定车辆三维外型，生成车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
5.如权利要求4所述的激光三维扫描车辆装置，其特征在于，所述的车辆信息还包括：车辆加速度、车辆长度、车辆宽度及车辆高度信息。
6.如权利要求4所述的激光三维扫描车辆装置，其特征在于，所述的装置还包括：数据处理模块，用于保存、显示和输出所述车辆信息。
7.如权利要求4所述的激光三维扫描车辆装置，其特征在于，所述的激光发射模块为激光器，所述激光器垂直车辆行驶方向旋转或/和摆动有效角度为60～170度，沿车辆行驶方向旋转或/和摆动有效角度为30～120度，追踪旋转或/和摆动有效角度为20～160度。
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