CN104251995A - 彩色激光三维扫描技术 - Google Patents

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贺岩
胡善江
臧华国
王彦昌
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Abstract

本发明公开了一种直接获取目标彩色点云数据的彩色激光三维扫描技术，可以提高激光三维扫描仪获取数据的信息量和测距精度，并克服彩色图像获取对背景照明的依赖。该技术通过三波长激光直接获取目标测点的反射率，即直接获得目标的彩色点信息，无需依赖白天照明光和CCD相机，避免彩色图像数据和点云数据的拼接误差，避免了距离变化导致的图像清晰度不一致，可实现全天时、高重频、远距离探测。

Description

彩色激光三维扫描技术
一、技术领域
本发明涉及激光雷达和激光三维扫描仪，是一种能够实现全天时、高重频、远距离探测的彩色激光三维扫描技术。 
二、背景技术
传统的激光三维扫描仪采用单色激光，利用脉冲飞行时间测量和延迟相位测量等方法，获取目标点的距离，再结合扫描角度，能够获取目标或景物的三维点坐标。测量激光在物体表面回波的强度，能够同时获取物体的灰度(反射率)，形成带灰度信息的三维点云数据。利用灰度点云对扫描场景进行建模，只能够获得单色的三维场景模型，为了能够更加直观和真实的反映场景信息，目前采用彩色相机对场景进行二维拍照，再将彩色照片与三维点云数据进行合成，间接获得彩色三维点云数据，生产彩色三维模型。这种三维点云和二维彩色图像合成的方式能够获得彩色点云，但是，存在以下问题： 
1.点云和彩色图像的像素不能做到完全匹配； 
2.点云和彩色图像在不同距离的合成存在误差； 
3.相机彩色图像依赖光照条件，不能在无照明条件下获得景物的彩色信息，且不同的天气或光照会影响色彩的真实度； 
4.在全景测量时，彩色图像获取时间较长，与激光三维扫描仪快速获取场景的工作模式不匹配。 
因此，本发明设计了一种彩色激光三维扫描技术，能够直接获取彩色三维点云数据，无需图像合成，不依赖光照条件，不需要额外增加测量时间，为快速、直接、高效地获取被测场景的彩色三维信息提供了更好的技术手段。 
三、发明内容
如上所述，如何直接获取彩色三维点云，提供一种快速、直接、高效获取被测场景彩色三维信息的三维扫描技术，是本发明所要解决的技术问题。 
本发明的工作原理是采用三个不同波长激光器作为光源，对三个激光器同步进行脉冲或者连续调制，调制后的脉冲或连续光经准直后，通过波长合束器合成一束激光，经过反射镜发射出去。激光在目标表面的回波由望远镜接收，通过波长分束器，分成三路光信号，每一个光信号对应一个波长的激光回波，分别进入三个高灵敏度、低噪声的探测器。每个探测器的输出经过解调和采集电路获得目标的距离和回波强度(对应波长的光反射率)。结合扫描角度获取物体或场景表面的彩色三维点云。 
本发明技术解决方案是： 
一种直接获取彩色三维点云的彩色激光三维扫描技术，包括三个不同波长激光源，信号调制源，波长合束器，二维扫描器，接收望远镜，波长分束器，带通滤光片，探测器，距离和强度测量模块，彩色三维点云生成模块，其特征在于：信号调制源输出脉冲或连续调制信号，同步调制三个不同波长的激光源，输出三个波长的激光，经过波长合束器，合成光斑直径、角度和发散角完全相同的同光路激光，经过二维扫描器发射出去。激光的回波经过二维扫描器进入接收望远镜，望远镜的会聚光经过波长分束器，分到三个光路，分别经过三个对应波长的带通滤光片，聚焦到三个探测器，探测器的输出进入距离和强度测量模块，通过时间或者相位测量方式获取目标距离，通过采样获取激光回波的强度(反射率)，获得的三波长反射率和坐标数据经过点云生成模块，形成彩色三维点云模型。其中： 
所述的三个不同波长激光源分别为波长405nm、520nm、650nm的半导体激光器。 
所述的信号调制源为脉冲或正弦波发生器。 
所述的波长合束器由两个长波反射、短波透射的波长截止片组成，截止波长分别为450nm和580nm。 
所述的二维扫描器由正交转动的45度反射镜组成。 
所述的接收望远镜为透射式聚焦透镜。 
所述的波长分束器由两个长波反射、短波透射的波长截止片组成，截止波长分别为450nm和580nm。 
所述的带通滤光片通带中心波长分别为405nm、520nm、650nm，带宽5nm。 
所述的探测器是雪崩光电二极管。 
所述的距离和强度测量模块是测时和测相电路，以及峰值保持和采样电路。 
所述的彩色三维点云生成模块是将采集的角度、距离和强度数据经过预处理后，生成兼容点云显示软件的数据格式，在三维点云显示软件中显示输出。 
本发明与现有技术相比具有以下优点： 
1、点云像素本身具备色彩信息，省去了后期彩色图像和点云像素的匹配工作，不存在后期匹配误差。 
2、主动获取目标和场景的色彩信息，不依赖背景光的照明，色彩真实度高，能够在无光照条件下获取彩色图像。 
3、点云测量同时获取彩色图像，省去了彩色图像的获取时间，提高三维扫描仪的测量效率。 
四、附图说明
图1是本发明彩色激光三维扫描技术工作示意图。 
图中编号说明如下： 
(1)三个不同波长激光源、(1-1)405nm激光源、(1-2)520nm激光源、(1-3)650nm激光源、(2)信号调制源、(3)波长合束器、(3-1)截止波长450nm的波长截止片、(3-2)截止波长580nm的波长截止片、(4)二维扫描器、(5)接收望远镜、(6)波长分束器、(6-1)截止波长450nm的波长截止片、(6-2)截止波长580nm的波长截止片、(7)带通滤光片、(7-1)中心波长405nm滤光片、(7-2)中心波长520nm滤光片、(7-3)中心波长650nm滤光片、(8)探测器、(9)距离和强度测量模块、(10)彩色三维点云生成模块。 
图2是扫描仪整体结构图。 
图3是扫描仪光路结构图。 
五、具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 
直接获取彩色三维点云的彩色激光三维扫描技术工作示意图如图1所示，由图可见，本发明包括三个不同波长激光源(1)，信号调制源(2)，波长合束器(3)，二维扫描器(4)，接收望远镜(5)，波长分束器(6)，探测器(7)，距离和强度测量模块(8)，彩色三维点云生成模块(9)，其特征在于：信号调制源(2)输出脉冲或连续调制信号，同步调制三个不同波长的激光源(1)，输出三个波长的激光，经过波长合束器(3)，合成光斑直径、角度和发散角完全相同的同光路激光，经过二维扫描器(4)发射出去。激光的回波经过二维扫描器(4)进入接收望远镜(5)，望远镜的会聚光经过波长分束器(6)，分到三个光路，分别经过三个对应波长的带通滤光片(7)，聚焦到三个探测器(8)，探测器的输出进入距离和强度测量模块(9)，通过时间或者相位测量方式获取目标距离，通过采样获取激光回波的强度(反射率)，获得的三波长反射率和坐标数据经过彩色三维点云生成模块(10)，形成彩色三维点云模型。 
所述的三个不同波长激光源(1)分别为波长405nm(1-1)、520nm(1-2)、650nm(1-3)的半导体激光器，能够接收电调制信号，并产生相应调制的激光输出。 
所述的信号调制源(2)为脉冲或正弦波发生器，产生脉冲调制或正弦波调制信号。 
所述的波长合束器(3)由两个长波反射、短波透射的波长截止片组成，截止波长分别为450nm(3-1)和580nm(3-2)，将三个不同波长、不同光路的激光合束到同一光路。 
所述的二维扫描器(4)由正交转动的45度反射镜组成，通过正交转动，形成二维扫描。 
所述的接收望远镜(5)为透射式聚焦透镜，将激光回波会聚到探测器。 
所述的波长分束器(6)由两个长波反射、短波透射的波长截止片组成，截止波长分别为450nm(6-1)和580nm(6-2)，将同一激光回波中的三个波长激光分到三个光路中。 
所述的带通滤光片(7)由三个窄带滤光片组成，通带中心波长分别为405nm(7-1)、520nm(7-2)、650nm(7-3)，带宽5nm，抑制背景光。 
所述的探测器(8)是三个雪崩光电二极管，分别实现不同波长光的光电信号转换。 
所述的距离和强度测量模块(9)是测时和测相电路(9-1)，以及峰值保持和采样电路(9-2)，测时和测相电路获取目标的距离，峰值保持和采用电路获取目标回波的反射率。 
所述的彩色三维点云生成模块(10)是将采集的角度、距离和强度数据经过距离、角度、灰度校正后，生成兼容点云显示软件的数据格式，在三维点云显示软件中显示输出。 
彩色激光三维扫描技术采用转镜扫描结构，形成的扫描仪结构如图2所示。扫描仪的底部为水平转动平台，驱动扫描仪整体进行水平转动。扫描仪中间安装45度反射镜，通过反射镜竖直方向的转动实现发射激光的扫描。扫描仪的左侧箱体内部主要包括扫描机构、控制和显示模块，右侧箱体内部主要包括三色激光的发射、接收光路以及探测电路。 
三色激光发射接收光路结构如图3所示，三个波长的激光器通过L1和L2合束成三色激光，通过L4和L5构成的扩束镜压缩发散角，经过光楔调整发射方向，经过M2反射镜到达垂直扫描镜M1扫描。激光的回波信号经过M1镜反射，经过滤光片，由L6透镜会聚。会聚光经过L7和L8折转光路，由L9分光到两个探测器。 

Claims (7)

1.一种直接获取彩色三维点云的彩色激光三维扫描技术，包括三个不同波长激光源(1)、信号调制源(2)、波长合束器(3)、二维扫描器(4)、接收望远镜(5)、波长分束器(6)、带通滤光片(7)、探测器(8)、距离和强度测量模块(9)、彩色三维点云生成模块(10)；其特征在于：信号调制源(2)输出脉冲或连续调制信号，同步调制三个不同波长的激光源(1)，输出三个波长的激光，经过波长合束器(3)，合成光斑直径、角度和发散角完全相同的同光路激光，经过二维扫描器(4)发射出去，激光的回波经过二维扫描器(4)进入接收望远镜(5)，望远镜的会聚光经过波长分束器(6)，分到三个光路，分别经过三个对应波长的带通滤光片(7)，聚焦到三个探测器(8)，探测器的输出进入距离和强度测量模块(9)，通过时间或者相位测量方式获取目标距离，通过采样获取激光回波的强度(反射率)，获得的三波长反射率和坐标数据经过彩色三维点云生成模块(10)，形成彩色三维点云模型。
2.根据权利要求1所述的彩色激光三维扫描技术，其特征在于所述的三个不同波长激光源(1)分别为波长405nm、520nm、650nm的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的彩色激光三维扫描技术，其特征在于所述的信号调制源(2)为脉冲或正弦波发生器。
4.根据权利要求1所述的彩色激光三维扫描技术，其特征在于所述的波长合束器(3)由两个长波反射、短波透射的波长截止片组成，截止波长分别为450nm和580nm。
5.根据权利要求1所述的彩色激光三维扫描技术，其特征在于所述的波长分束器(6)由两个长波反射、短波透射的波长截止片组成，截止波长分别为450nm和580nm。
6.根据权利要求1所述的彩色激光三维扫描技术，其特征在于所述的探测器(8)是雪崩光电二极管。
7.根据权利要求1所述的彩色激光三维扫描技术，其特征在于所述的距离和强度测量模块(9)是测时和测相电路，以及峰值保持和采样电路。
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