CN104613896A - 一种三维激光扫描空间分辨率增强的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维激光扫描空间分辨率增强的方法，该方法采用两级驱动装置同步运行，可以有效提高扫描效率；将扫描空间划分成经纬线网格，并设置关键点，有效的简化了计算和控制过程；对于任意被测空间环境，三维激光扫描仪能够根据实时环境做出调整，通过调节扫描轨迹的间距和相邻关键点的扫描时间，大幅度增强了三维激光扫描空间分辨率。

Description

一种三维激光扫描空间分辨率增强的方法

技术领域

本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种三维激光扫描空间分辨率增强的方法。

背景技术

三维激光扫描系统，是利用激光测距技术获取测量距离值，并在两级驱动装置的带动下，完成三维空间扫描过程。三维激光扫描技术，是一种非接触式测量技术，在建筑物三维建模、地下空间探测等方面，都有着重要的应用价值。

在三维激光扫描方法中，最常用的是等角度扫描，两轴驱动装置按照预设的运动方式完成整个扫描过程，扫描轨迹的空间角度是相等的，但是由于被测物体与测量模块的距离不同、被测空间表面轮廓各异，最终导致扫描轨迹的空间距离差异很大，空间分辨率较低。

还有的三维激光扫描方法，简单的计算了驱动装置的角度增量，根据测距值做出了一定的调整，但是缺乏完整的扫描轨迹规划方案和运动控制模型，效果有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维激光扫描空间分辨率增强的方法，可以大幅度增强三维激光扫描的空间分辨率以及扫描效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种三维激光扫描空间分辨率增强的方法，该方法包括：

利用空间形态互相垂直的一级驱动装置和二级驱动装置根据初始的设定带动激光测距模块对被测空间进行扫描测量，将每一周扫描轨迹分成N等分，每一等分的分割点则为关键点；

根据前m-1周关键点的测量距离值、预设的每一圈扫描轨迹之间的理想间距以及预设的测量点之间的理想间距，估算第m周的扫描中关键点的位置及相邻关键点之间的扫描时间；

根据上述估算结果进行第m周的扫描，并估算第m+1周的扫描中关键点的位置以及相邻关键点之间的扫描时间，直至完成被测空间的扫描测量。

进一步的，所述一级驱动装置沿一个方向一圈一圈地连续转动，二级驱动装置配合一级驱动装置转动，形成螺旋线形式的扫描轨迹。

进一步的，根据前m-1周关键点的测量距离值以及预设的每一周扫描轨迹之间的理想间距，估算第m周的扫描中关键点的位置，所述关键点的位置对应于二级驱动装置的角度位置；

根据第m-1周扫描轨迹上第n个关键点的测量距离值d_n(m-1)，以及第m-2周扫描轨迹上第n个关键点的测量距离值d_n(m-2)，来估算第m周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度增量：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{snm}}=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{nm}}{l}_0}{d_{n(m-1)}};$

其中，l₀为预设的每一周扫描轨迹之间的理想间距；β_nm为二级微分增量因子，其表示为：

${\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{nm}}=\left\{\begin{array}{c}\frac{l_0}{\sqrt[2]{l_0^2+{(d_{n(m-1)}-d_{n(m-2)})}^2}}(d_{n(m-1)}\&GreaterEqual;d_{n(m-2)})\\ \frac{\sqrt[2]{l_0^2+{(d_{n(m-2)}-d_{n(m-1)})}^2}}{l_0}(d_{n(m-1)}<d_{n(m-2)})\end{array}\right.;$

若第m-1周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度位置为P_sn(m-1)，则第m周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度位置为：

P_snm＝P_sn(m-1)+ΔP_snm。

进一步的，根据预设的测量点之间的理想间距来估算第m周的相邻关键点之间的扫描时间；

所述预设的测量点之间的理想间距与预设的相邻关键点之间的扫描时间T₀以及对应的测量距离值d₀相关，估算第m周扫描轨迹上第n-1个关键点与第n个关键点之间的扫描时间T_nm的公式表示为：

$T_{\mathrm{nm}}={\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{nm}}{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{nm}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{nm}}\frac{d_n(m-1)}{d_0}{T}_0;$

其中，α_nm为同步影响因子，在第m周扫描轨迹上第n-1个关键点与第n个关键点之间，一级驱动装置角位移表示为S_dnm，二级驱动装置角位移表示为S_snm，则同步影响因子表示为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{nm}}=\frac{\sqrt[2]{S_{\mathrm{snm}}^2+S_{\mathrm{dnm}}^2}}{S_{\mathrm{dnm}}};$

γ_nm为二级驱动装置角度影响因子，表示为：γ_nm＝sin(P_snm)_；其中，P_snm表示第m周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度位置；

ε_nm为一级微分增量因子，在第m周扫描轨迹上第n-1个关键点与第n个关键点之间，一级驱动装置与二级驱动装置合成角位移表示为S_nm，则一级微分增量因子ε_nm表示为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{nm}}=\frac{\mathrm{\&pi;}{S}_{\mathrm{nm}}{d}_{(n-1)(m-1)}}{\sqrt[2]{{({180d}_{(n-1)(m-1)}-{180d}_{(n-1)m})}^2+{\left(\mathrm{\&pi;}{S}_{\mathrm{nm}}{d}_{(n-1)(m-1)}\right)}^2}}.$

进一步的，所述根据上述估算结果进行第m周的扫描，并估算第m+1周的扫描中关键点的位置以及相邻关键点之间的扫描时间包括：

根据上述估算结果，调整一级驱动装置和二级驱动装置来带动激光测距模块进行第m周的扫描；并根据第m周扫描轨迹中关键点处的测量距离值、预设的每一圈扫描轨迹之间的理想间距以及预设的测量点之间的理想间距，估算第m+1周的扫描中关键点的位置以及相邻关键点之间的扫描时间。

进一步的，将扫描过程中每一周扫描轨迹作为纬线，将每一周扫描轨迹中的关键点按照1～N进行编号，并将所有扫描轨迹中的关键点按照编号连接，连接线作为经线，构成经纬线网格；

若当前被测空间为标准球体，则当二级驱动装置旋转180°时，判定完成整个空间三维激光扫描测量；若被测空间为非标准球体，则当二级驱动装置使得N条经线的位置均达到180°时，判定完成整个空间三维激光扫描测量。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用两级驱动装置同步运行，可以有效提高扫描效率；将扫描空间划分成经纬线网格，并设置关键点，有效的简化了计算和控制过程；对于任意被测空间环境，三维激光扫描仪能够根据实时环境做出调整，通过调节扫描轨迹的间距和相邻关键点的扫描时间，大幅度增强了三维激光扫描空间分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供一种三维激光扫描空间分辨率增强的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的球面螺旋线轨迹的示意图；

图3为本发明实施例提供的将球面螺旋线轨迹划分成经纬线网格的示意图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

实施例

图1为本发明实施例提供一种三维激光扫描空间分辨率增强方法的流程图；如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、利用空间形态互相垂直的一级驱动装置和二级驱动装置根据初始的设定带动激光测距模块对被测空间进行扫描测量，将每一周扫描轨迹分成N等分，每一等分的分割点则为关键点。

在三维激光扫描测量过程中，一级驱动装置沿同一方向一圈一圈地做匀速运动，二级驱动装置配合一级驱动装置转动(行程180°)，形成螺旋线形式的扫描轨迹。

示例性的，如果扫描空间是个标准的球体，并且三维激光扫描仪置于球心处，则扫描轨迹为球面螺旋线轨迹，且每一周螺旋线间距离相等，如图2所示。通常情况下，被测空间形态各异、被测表面与三维激光扫描仪距离远近不同、夹角大小不同，虽然扫描轨迹依然为螺旋线，但是每一周螺旋线间距离不相等，有的地方扫描轨迹稀疏，有的地方扫描轨迹密集。本发明专利可以很好的解决这个问题，对于任意被测空间，提升三维激光扫描空间分辨率。

一级驱动装置沿一个方向连续旋转，则整个扫描轨迹将由M周扫描轨迹组成，将每一个0°～360°整周扫描轨迹划分为N等份，则每一整周扫描轨迹上存在N个关键点，将每周扫描轨迹的第n个关键点连接起来，构成经线，如附图3所示。对每周扫描轨迹的每个关键点的空间位置进行控制，则可以调整每一周扫描轨迹的间距；对每两个关键点之间的运行时间进行控制，则可以调整每一周扫描轨迹上关键点的间距(即调整每一周扫描轨迹上测量点的间距)。

步骤12、根据前m-1周关键点的测量距离值、预设的每一周扫描轨迹之间的理想间距以及预设的测量点之间的理想间距，估算第m周的扫描中关键点的位置及相邻关键点之间的扫描时间。

示例性的，可设m＝3，即将前两周的相关数据作为参考来计算第三周的相关数据。

具体来说，本步骤主要包括如下两个处理过程：

1)根据前m-1周关键点的测量距离值以及预设的每一周扫描轨迹之间的理想间距，估算第m周的扫描中关键点的位置，所述关键点的位置对应于二级驱动装置的角度位置。

根据图3所示的经纬线网格划分可知，激光测距模块在上一周扫描轨迹上相同编号关键点的测量距离值，与当前扫描轨迹相同编号关键点的测量距离值最接近。因此，可以利用这种特性来确定估算第m周的扫描中关键点的位置。

本实施例中根据前两周扫描轨迹中相同编号关键点处的测量距离值，来估算当前扫描相同编号关键点的位置；示例性的，可使用如下方法来实现：

根据第m-1周扫描轨迹上第n个关键点的测量距离值d_n(m-1)，以及第m-2周扫描轨迹上第n个关键点的测量距离值d_n(m-2)，来估算第m周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度增量：

${\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{snm}}=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{nm}}{l}_0}{d_{n(m-1)}};$

其中，l₀为预设的每一周扫描轨迹之间的理想间距；β_nm为二级微分增量因子，其表示为：

${\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{nm}}=\left\{\begin{array}{c}\frac{l_0}{\sqrt[2]{l_0^2+{(d_{n(m-1)}-d_{n(m-2)})}^2}}(d_{n(m-1)}\&GreaterEqual;d_{n(m-2)})\\ \frac{\sqrt[2]{l_0^2+{(d_{n(m-2)}-d_{n(m-1)})}^2}}{l_0}(d_{n(m-1)}<d_{n(m-2)})\end{array}\right.;$

若第m-1周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度位置为P_sn(m-1)，则第m周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度位置为：

P_snm＝P_sn(m-1)+ΔP_snm。

2)根据预设的测量点之间的理想间距来估算第m周的相邻关键点之间的扫描时间。

本发明实施例中还期望扫描轨迹上测量点的间距也为预设值(即期望其间距尽量相等)，而测量点的间距受扫描时间与扫描距离的影响，例如，扫描距离越远，或扫描时间越短，则测量点间距越大；扫描距离一定，增长扫描时间，则测量点的间距会缩短。

本实施例中，利用下述方法来计算相邻关键点之间的扫描时间，以达到预设的测量点之间的理想间距。

所述预设的测量点之间的理想间距与预设的相邻关键点之间的扫描时间T₀以及对应的测量距离值d₀相关，估算第m周扫描轨迹上第n-1个关键点与第n个关键点之间的扫描时间T_nm的公式表示为：

$T_{\mathrm{nm}}={\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{nm}}{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{nm}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{nm}}\frac{d_n(m-1)}{d_0}{T}_0;$

其中，α_nm为同步影响因子，在第m周扫描轨迹上第n-1个关键点与第n个关键点之间，一级驱动装置角位移表示为S_dnm，二级驱动装置角位移表示为S_snm，则同步影响因子表示为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{nm}}=\frac{\sqrt[2]{S_{\mathrm{snm}}^2+S_{\mathrm{dnm}}^2}}{S_{\mathrm{dnm}}};$

γ_nm为二级驱动装置角度影响因子，表示为：γ_nm＝sin(P_snm)_；其中，P_snm表示第m周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度位置；

ε_nm为一级微分增量因子，在第m周扫描轨迹上第n-1个关键点与第n个关键点之间，一级驱动装置与二级驱动装置合成角位移表示为S_nm，则一级微分增量因子ε_nm表示为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{nm}}=\frac{\mathrm{\&pi;}{S}_{\mathrm{nm}}{d}_{(n-1)(m-1)}}{\sqrt[2]{{({180d}_{(n-1)(m-1)}-{180d}_{(n-1)m})}^2+{\left(\mathrm{\&pi;}{S}_{\mathrm{nm}}{d}_{(n-1)(m-1)}\right)}^2}}.$

需要强调的是，本发明实施例所述的预设的每一周扫描轨迹之间的理想间距l₀，以及预设的测量点之间的理想间距可以根据实际情况来设定；同时，上述具体计算过程也可使用其他类似的算法来实现，此处仅为举例并非构成限制。

步骤13、根据上述估算结果进行第m周的扫描，并估算第m+1周的扫描中关键点的位置以及相邻关键点之间的扫描时间，直至完成被测空间的扫描测量。

具体来说，根据步骤12的估算结果，调整一级驱动装置和二级驱动装置来带动激光测距模块进行第m周的扫描；并根据第m周扫描轨迹中关键点处的测量距离值、预设的每一圈扫描轨迹之间的理想间距以及预设的测量点之间的理想间距，估算第m+1周的扫描中关键点的位置以及相邻关键点之间的扫描时间。

本发明实施例中，还将扫描过程中每一周扫描轨迹作为纬线，将每一周扫描轨迹中的关键点按照1～N进行编号，并将所有扫描轨迹中的关键点按照编号连接，连接线作为经线；

若当前被测空间为标准球体，则当二级驱动装置旋转180°时，判定完成整个空间三维激光扫描测量；若被测空间为非标准球体，势必造成同一周扫描轨迹上，二级驱动装置对应不同的位置；在空间扫描测量后期，二级驱动装置在其中一些经线上，先到达180°的位置，在其中一些经线上，后达到180°的位置；此时，当二级驱动装置在N条经线的位置都达到180°时，即判断整个空间扫描结束。

本发明实施例采用两级驱动装置同步运行，可以有效提高扫描效率；将扫描空间划分成经纬线网格，并设置关键点，有效的简化了计算和控制过程；对于任意被测空间环境，三维激光扫描仪能够根据实时环境做出调整，通过调节扫描轨迹的间距和相邻关键点的扫描时间，大幅度增强了三维激光扫描空间分辨率。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种三维激光扫描空间分辨率增强的方法，其特征在于，该方法包括：

利用空间形态互相垂直的一级驱动装置和二级驱动装置根据初始的设定带动激光测距模块对被测空间进行扫描测量，将每一周扫描轨迹分成N等分，每一等分的分割点则为关键点；

根据前m-1周关键点的测量距离值、预设的每一圈扫描轨迹之间的理想间距以及预设的测量点之间的理想间距，估算第m周的扫描中关键点的位置及相邻关键点之间的扫描时间；

根据上述估算结果进行第m周的扫描，并估算第m+1周的扫描中关键点的位置以及相邻关键点之间的扫描时间，直至完成被测空间的扫描测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述一级驱动装置沿一个方向一圈一圈地连续转动，二级驱动装置配合一级驱动装置转动，形成螺旋线形式的扫描轨迹。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

根据前m-1周关键点的测量距离值以及预设的每一周扫描轨迹之间的理想间距，估算第m周的扫描中关键点的位置，所述关键点的位置对应于二级驱动装置的角度位置；

根据第m-1周扫描轨迹上第n个关键点的测量距离值d_n(m-1)，以及第m-2周扫描轨迹上第n个关键点的测量距离值d_n(m-2)，来估算第m周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度增量：

${\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{snm}}=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{nm}}{l}_0}{d_{n(m-1)}};$

其中，l₀为预设的每一周扫描轨迹之间的理想间距；β_nm为二级微分增量因子，其表示为：

${\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{nm}}=\left\{\begin{array}{c}\frac{l_0}{\sqrt[2]{l_0^2+{(d_{n(m-1)}-d_{n(m-2)})}^2}}(d_{n(m-1)}\&GreaterEqual;d_{n(m-2)})\\ \frac{\sqrt[2]{l_0^2+{(d_{n(m-2)}-d_{n(m-1)})}^2}}{l_0}(d_{n(m-1)}<d_{n(m-2)})\end{array}\right.;$

若第m-1周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度位置为P_sn(m-1)，则第m周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度位置为：

P_snm＝P_sn(m-1)+ΔP_snm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

根据预设的测量点之间的理想间距来估算第m周的相邻关键点之间的扫描时间；

所述预设的测量点之间的理想间距与预设的相邻关键点之间的扫描时间T₀以及对应的测量距离值d₀相关，估算第m周扫描轨迹上第n-1个关键点与第n个关键点之间的扫描时间T_nm的公式表示为：

$T_{\mathrm{nm}}={\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{nm}}{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{nm}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{nm}}\frac{d_{n(m-1)}}{d_0}{T}_0;$

其中，α_nm为同步影响因子，在第m周扫描轨迹上第n-1个关键点与第n个关键点之间，一级驱动装置角位移表示为S_dnm，二级驱动装置角位移表示为S_snm，则同步影响因子表示为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{nm}}=\frac{\sqrt[2]{S_{\mathrm{snm}}^2+S_{\mathrm{dnm}}^2}}{S_{\mathrm{dnm}}};$

γ_nm为二级驱动装置角度影响因子，表示为：γ_nm＝sin(P_snm)；其中，P_snm表示第m周扫描轨迹上第n个关键点对应的二级驱动装置角度位置；

ε_nm为一级微分增量因子，在第m周扫描轨迹上第n-1个关键点与第n个关键点之间，一级驱动装置与二级驱动装置合成角位移表示为S_nm，则一级微分增量因子ε_nm表示为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{nm}}=\frac{{\mathrm{\&pi;S}}_{\mathrm{nm}}{d}_{(n-1)(m-1)}}{\sqrt[2]{{({180d}_{(n-1)(m-1)}-{180d}_{(n-1)m})}^2+{\left({\mathrm{\&pi;S}}_{\mathrm{nm}}{d}_{(n-1)(m-1)}\right)}^2}}.$

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据上述估算结果进行第m周的扫描，并估算第m+1周的扫描中关键点的位置以及相邻关键点之间的扫描时间包括：

根据上述估算结果，调整一级驱动装置和二级驱动装置来带动激光测距模块进行第m周的扫描；并根据第m周扫描轨迹中关键点处的测量距离值、预设的每一圈扫描轨迹之间的理想间距以及预设的测量点之间的理想间距，估算第m+1周的扫描中关键点的位置以及相邻关键点之间的扫描时间。

6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，

将扫描过程中每一周扫描轨迹作为纬线，将每一周扫描轨迹中的关键点按照1～N进行编号，并将所有扫描轨迹中的关键点按照编号连接，连接线作为经线，构成经纬线网格；

若当前被测空间为标准球体，则当二级驱动装置旋转180°时，判定完成整个空间三维激光扫描测量；若被测空间为非标准球体，则当二级驱动装置使得N条经线的位置均达到180°时，判定完成整个空间三维激光扫描测量。