CN105136036B - 便携式图像与激光融合的三维扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统，包括：手持式数据采集设备及与所述手持式数据采集设备电连接的控制与数据处理终端；所述手持式数据采集设备适于采集激光点云数据、高清图像数据、惯性测量数据，并将数据进行关联回传至所述控制与数据处理终端；所述的控制与数据处理终端适于所述手持式数据采集设备的功能参数设置、机械装置的运动控制、激光点云数据处理、图像数据处理、点云与图像数据的融合、三维模型渲染与可视化数据处理算法。本发明的三维扫描系统生产成本低、携带方便、易于操作，且可同时采集激光点云与图像数据，实现了快速、便捷、直观、准确地对空间场景信息进行数字化采集与记录。

Description

便携式图像与激光融合的三维扫描系统

技术领域

本发明涉及三维扫描技术领域，特别是涉及一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统。

背景技术

三维扫描技术是近年来发展起来的一项高新技术，它通过光学测量的方法，能够快速、精确、非接触地获取真实物体的空间位置信息，为科学准确的建立数据模型提供了一种全新的技术手段。三维扫描设备的原理有多种，例如多目摄像头检测法、高速激光雷达扫描法等。但三维扫描设备普遍结构复杂、设备笨重、不宜携带与操作，且价格昂贵。在事故现场、犯罪现场及考古发掘现场这些新的应用场景下，要求三维扫描设备易于携带、操作简单，能快速、准确的采集事发现场的物理空间信息。传统的大型扫描设备显然已不能适应这样的应用场景，很难广泛使用和推广。因此，扫描设备的小型化、便携化是三维扫描技术领域的发展方向。

此外，基于激光的三维扫描设备，在采集数据时,由于作业范围较大，设备受到位置影响，无法取得某些扫描盲区的数据点，或者物体本身的结构比较复杂，表面细节繁多，在建模时会出现缺口、空洞、长条缝隙或重叠，这些都破坏了模型的完整性，不能准确地建立三维模型。通常补采数据的代价较大或无法实施，导致最终重建的模型不完整或丢失部分区域的细节。而摄像机获取的二维图像独立于激光扫描数据，可以对激光扫描模型中的残缺部分进行适当补充。激光扫描仪采集的距离信息和摄像机采集的色彩信息也具有很强的互补性。两者信息融合之后，使得三维激光点云有了颜色，增强了对场景的描述能力，二维图像则包含了空间距离信息，可直接在图像上进行位置量测分析。

因此，开发一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统，可快速、便捷、直观、准确地对空间场景信息进行数字化采集与记录已成为急需解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决现有技术中存在的三维扫描设备结构复杂、设备笨重、不宜携带与操作、且价格昂贵的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统，所述便携式图像与激光融合的三维扫描系统包括：手持式数据采集设备及与所述手持式数据采集设备电连接的控制与数据处理终端；

所述手持式数据采集设备适于采集激光点云数据、高清图像数据、惯性测量数据，并将数据进行关联回传至所述控制与数据处理终端；

所述的控制与数据处理终端适于所述手持式数据采集设备的功能参数设置、机械装置的运动控制、激光点云数据处理、图像数据处理、点云与图像数据的融合、三维模型渲染与可视化数据处理算法。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述手持式数据采集设备包括：

三维激光扫描装置，适于采集激光点云数据；

惯性测量单元，适于采集所述手持式数据采集设备的位姿数据；

主控单元，与所述三维激光扫描装置、所述惯性测量单元及所述控制与数据处理终端电连接，适于对数据采集的控制及机械装置的运动控制，并将所述三维激光扫描装置及所述惯性测量单元采集的数据传送至所述控制与数据处理终端；

高速运动摄像机，与所述控制与数据处理终端电连接，适于采集高清图像数据，并将采集的高清图像数据传送至所述控制与数据处理终端。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述三维激光扫描装置包括：二维激光扫描雷达、驱动器、大扭矩舵机及机械传动构件；

所述主控单元通过所述驱动器的接口与所述驱动器电连接，从而控制所述驱动器的状态；所述驱动器与所述大扭矩舵机电连接；所述大扭矩舵机通过所述机械传动构件与所述二维激光扫描雷达连接，所述二维激光扫描雷达在所述机械传动构件的带动下做俯仰的扫描运动。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述二维激光扫描雷达的发射光源为低功率红外线激光器，所述低功率红外线激光器采用调制脉冲方式驱动。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述主控单元适于所述惯性测量单元的初始化与校准、所述惯性测量单元的数据采集、所述二维激光扫描雷达的数据采集、所述大扭矩舵机的驱动控制；并适于将惯性测量数据、激光扫描数据以及所述大扭矩舵机的旋转角度进行关联后与所述控制与数据处理终端进行通信交互、数据传输。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述惯性测量单元集成于所述主控单元上，包括基于MEMS的三轴加速度计、三轴陀螺仪及三轴磁力计。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述惯性测量单元支持400KHz快速I²C读写；所述三轴加速度计及所述三轴陀螺仪可感知包括转动或步行的细节运动，所述三轴磁力计可感知真北方向。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述高速运动摄像机为具有1080p分辨率、30fps、超宽视角的运动摄像机；所述高速运动摄像机通过数据线缆将实时影像数据以H.264的编码格式传送至所述控制与数据处理终端。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述手持式数据采集设备还包括板载电池，适于为所述手持式数据采集设备供电；所述板载电池受控于所述主控单元，所述主控单元通过对所述板载电池电量信息的采集与计算，有效控制其他单元的工作模式与能耗，以延长所述板载电池的续航时间。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述板载电池为可充电锂电池。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述手持式数据采集设备还包括设备支架，所述设备支架包括：

主支架，适于安装所述三维激光扫描装置；

辅助支架，适于安装所述高速运动摄像机、所述主控单元及所述板载电池；

手握柄，连接所述主支架及所述辅助支架。

作为本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统的一种优选方案，所述控制与数据处理终端为便携式笔记本电脑。

如上所述，本发明的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，具有以下有益效果：将摄像机与激光扫描装置融合，摄像机获取的二维图像独立于激光扫描数据，可以对激光扫描模型中的残缺部分进行适当补充，激光扫描仪采集的距离信息和摄像机采集的色彩信息也具有很强的互补性，二者信息融合之后，使得三维激光点云有了颜色，增强了对场景的描述能力，二维图像则包含了空间距离信息，可直接在图像上进行位置量测分析；本发明的三维扫描系统生产成本低、携带方便、易于操作，且可同时采集激光点云与图像数据，实现了快速、便捷、直观、准确地对空间场景信息进行数字化采集与记录。

附图说明

图1是本发明的三维扫描系统结构框图。

图2是本发明的三维扫描系统硬件结构示意图。

图3是二维激光扫描雷达垂直方向转动示意图。

元件标号说明

1 手持式数据采集设备

11 三维激光扫描装置

111 驱动器

112 大扭矩舵机

113 二维激光扫描雷达

12 惯性测量单元

13 主控单元

14 高速运动摄像机

15 板载电池

16 设备支架

161 主支架

162 辅助支架

163 手握柄

2 控制与数据处理终端

3 数据线缆

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1至图2，本发明提供一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统，所述便携式图像与激光融合的三维扫描系统包括：手持式数据采集设备1及与所述手持式数据采集设备1电连接的控制与数据处理终端2；

所述手持式数据采集设备1适于采集激光点云数据、高清图像数据、惯性测量数据，并将数据进行关联回传至所述控制与数据处理终端2；

所述的控制与数据处理终端2适于所述手持式数据采集设备1的功能参数设置、机械装置的运动控制、激光点云数据处理、图像数据处理、点云与图像数据的融合、三维模型渲染与可视化数据处理算法。

作为示例，所述手持式数据采集设备1包括：三维激光扫描装置11，适于采集激光点云数据；惯性测量单元12，适于采集所述手持式数据采集设备1的位姿数据；主控单元13，与所述三维激光扫描装置11、所述惯性测量单元12及所述控制与数据处理终端2电连接，适于对数据采集的控制及机械装置的运动控制，并将所述三维激光扫描装置11及所述惯性测量单元12采集的数据传送至所述控制与数据处理终端2；高速运动摄像机14，与所述控制与数据处理终端2电连接，适于采集高清图像数据，并将采集的高清图像数据传送至所述控制与数据处理终端2。

作为示例，所述三维激光扫描装置11包括：驱动器111、大扭矩舵机112、二维激光扫描雷达113及机械传动构件(未示出)；所述主控单元13通过所述驱动器111的接口与所述驱动器111电连接，从而控制所述驱动器111的状态；所述驱动器111与所述大扭矩舵机112电连接；所述大扭矩舵机112通过所述机械传动构件与所述二维激光扫描雷达113连接，所述二维激光扫描雷达113在所述机械传动构件的带动下做俯仰的扫描运动。

作为示例，所述二维激光扫描雷达113可实现0～360°、10米范围内的激光测距扫描，角度分辨率为0.5°，扫描频率为20Hz。所述二维激光扫描雷达113可在各类室内环境以及无日光直接照射的室外环境下进行测量。所述二维激光扫描雷达113采用低功率的红外线激光器作为发射光源，并采用调制脉冲方式驱动，激光器仅在极短的时间内进行发射动作，从功耗的角度考虑适用于手持式设备。所述二维激光扫描雷达113通过俯仰方向的角度变化可实现对三维空间扫描。所述主控单元13收到来自所述控制与数据处理终端2的俯仰角控制指令，产生相应的脉宽调制(PWM)信号，并通过光电耦合至所述驱动器111，所述驱动器111可采用双路全桥芯片L298N来驱动大扭矩舵机在垂直方向上转动，在控制用电与功率用电电气隔离的情况下安全地实现了对所述二维激光扫描雷达113的俯仰角度控制。所述大扭矩舵机112通过所述机械传动构件与所述二维激光扫描雷达113连接。如图3所示，所述二维激光扫描雷达113在所述机械传动构件的带动下做俯仰的扫描运动，构建了所述三维激光扫描装置11。可以实现水平方向0～270°，垂直方向±45°，10米范围内的内的激光测距扫描。

作为示例，所述主控单元13适于对所述惯性测量单元12的初始化与校准、所述惯性测量单元12的数据采集、所述二维激光扫描雷达113的数据采集、所述大扭矩舵机112的驱动控制；并适于将所述惯性测量单元12测量的惯性测量数据、所述二维激光扫描雷达113采集的激光扫描数据以及所述大扭矩舵机112的旋转角度进行关联后与所述控制与数据处理终端2进行通信交互、数据传输，将采集数据传送至所述控制与数据处理终端2，并执行终端机的控制指令等。

作为示例，所述主控单元13的核心器件可以为Sitara系列的32位基于ARM9内核的低功耗处理器AM1705，该处理器主频可达456MHz，所述处理器具有片上USB、I²C等接口。

作为示例，，所述惯性测量单元(IMU)12集成于所述主控单元13上，所述惯性测量单元12为9自由度运动传感器MPU9150，所述传感器集成了基于MEMS的三轴加速度计、三轴陀螺仪及三轴磁力计，具有体积小、功率低的特点，适用于手持式设备。所述惯性测量单元12支持400KHz快速I²C读写；其中，所述三轴加速度计及所述三轴陀螺仪可感知包括转动或步行的细节运动，所述三轴磁力计可感知真北方向，用于三维模型绘制时标示实际方位。

作为示例，所述高速运动摄像机14适于采集高清图像数据，所述三维激光扫描装置11主要负责采集物理空间大致轮廓，而空间中的细节、表面纹理与色彩需要通过所述高速运动摄像机14采集的高清图像信息作为补充。对于手持设备，要求在设备抖动的情况下仍然能够高精度地采集空间的色彩与纹理信息，因此，本示例中，所述高速运动摄像机14为具有1080p分辨率、30fps(Frames per Second，每秒显示帧数，即帧率)、超宽视角的GoProHero4运动摄像机；该摄像机的重量较轻，只有88克左右，且具有GoPro色彩校正功能，可通过数据线缆3将实时影像数据以H.264的编码格式传送至所述控制与数据处理终端2。

作为示例，所述手持式数据采集设备1还包括板载电池15，适于为所述手持式数据采集设备1供电；所述板载电池15受控于所述主控单元13，所述主控单元13通过对所述板载电池15电量信息的采集与计算，有效控制其他单元的工作模式与能耗，以延长所述板载电池15的续航时间。

作为示例，所述板载电池15为可充电锂电池。考虑到所述手持式数据采集设备1对质量的约束、设备的续航能力以及所述大扭矩舵机112的功率需求，所述板载电池15选用4节NCR18650B可充电锂电池，单节电池容量为3400mAh，最大持续放电电流可达5A。所述板载电池15可通过笔记本电脑USB接口充电。

作为示例，所述手持式数据采集设备1还包括设备支架16，所述设备支架16包括：主支架161，所述支架161适于安装所述三维激光扫描装置11；辅助支架162，所述辅助支架162适于安装所述高速运动摄像机14、所述主控单元13及所述板载电池15；手握柄163，所述手握柄163连接所述主支架161及所述辅助支架162。

作为示例，设备支架16可以根据实际需要设计所需的形状，优选地，本实施例中，所述主支架161的底部与所述辅助支架162的表面相平行，所述手握柄163位于所述主支架161与所述辅助支架162之间，且与所述主支架161的底部及所述辅助支架162的表面相垂直。

作为示例，所述控制与数据处理终端2可以为但不仅限于便携式笔记本电脑。

综上所述，本发明提供一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统，所述便携式图像与激光融合的三维扫描系统包括：手持式数据采集设备及与所述手持式数据采集设备电连接的控制与数据处理终端；所述手持式数据采集设备适于采集激光点云数据、高清图像数据、惯性测量数据，并将数据进行关联回传至所述控制与数据处理终端；所述的控制与数据处理终端适于所述手持式数据采集设备的功能参数设置、机械装置的运动控制、激光点云数据处理、图像数据处理、点云与图像数据的融合、三维模型渲染与可视化数据处理算法。将摄像机与激光扫描装置融合，摄像机获取的二维图像独立于激光扫描数据，可以对激光扫描模型中的残缺部分进行适当补充，激光扫描仪采集的距离信息和摄像机采集的色彩信息也具有很强的互补性，二者信息融合之后，使得三维激光点云有了颜色，增强了对场景的描述能力，二维图像则包含了空间距离信息，可直接在图像上进行位置量测分析；本发明的三维扫描系统生产成本低、携带方便、易于操作，且可同时采集激光点云与图像数据，实现了快速、便捷、直观、准确地对空间场景信息进行数字化采集与记录。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种便携式图像与激光融合的三维扫描系统，其特征在于，所述便携式图像与激光融合的三维扫描系统包括：手持式数据采集设备及与所述手持式数据采集设备电连接的控制与数据处理终端；

所述手持式数据采集设备包括：三维激光扫描装置，所述三维激光扫描装置包括：二维激光扫描雷达、驱动器、大扭矩舵机及机械传动构件，所述驱动器与所述大扭矩舵机电连接；所述大扭矩舵机通过所述机械传动构件与所述二维激光扫描雷达连接，所述二维激光扫描雷达在所述机械传动构件的带动下做俯仰的扫描运动，所述三维激光扫描装置适于采集激光点云数据；惯性测量单元，适于采集所述手持式数据采集设备的位姿数据；主控单元，与所述惯性测量单元及所述控制与数据处理终端电连接，并通过所述驱动器的接口与所述驱动器电连接，适于对数据采集的控制及苏搜驱动器状态的运动控制，并将所述三维激光扫描装置及所述惯性测量单元采集的数据传送至所述控制与数据处理终端；高速运动摄像机，与所述控制与数据处理终端电连接，适于采集高清图像数据，并将采集的高清图像数据传送至所述控制与数据处理终端；所述高速运动摄像机为具有1080p分辨率、30fps、超宽视角的运动摄像机；所述高速运动摄像机通过数据线缆将实时影像数据以H.264的编码格式传送至所述控制与数据处理终端；

所述的控制与数据处理终端适于所述手持式数据采集设备的功能参数设置、机械装置的运动控制、激光点云数据处理、图像数据处理、点云与图像数据的融合、三维模型渲染与可视化数据处理算法。

2.根据权利要求1所述的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，其特征在于：所述二维激光扫描雷达的发射光源为低功率红外线激光器，所述低功率红外线激光器采用调制脉冲方式驱动。

3.根据权利要求1所述的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，其特征在于：所述主控单元适于所述惯性测量单元的初始化与校准、所述惯性测量单元的数据采集、所述二维激光扫描雷达的数据采集、所述大扭矩舵机的驱动控制；并适于将惯性测量数据、激光扫描数据以及所述大扭矩舵机的旋转角度进行关联后与所述控制与数据处理终端进行通信交互、数据传输。

4.根据权利要求1所述的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，其特征在于：所述惯性测量单元集成于所述主控单元上，包括基于MEMS的三轴加速度计、三轴陀螺仪及三轴磁力计。

5.根据权利要求4所述的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，其特征在于：所述惯性测量单元支持400KHz快速I²C读写；所述三轴加速度计及所述三轴陀螺仪可感知包括转动或步行的细节运动，所述三轴磁力计可感知真北方向。

6.根据权利要求1至5任一项中所述的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，其特征在于：所述手持式数据采集设备还包括板载电池，适于为所述手持式数据采集设备供电；所述板载电池受控于所述主控单元，所述主控单元通过对所述板载电池电量信息的采集与计算，有效控制其他单元的工作模式与能耗，以延长所述板载电池的续航时间。

7.根据权利要求6所述的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，其特征在于：所述板载电池为可充电锂电池。

8.根据权利要求7所述的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，其特征在于：所述手持式数据采集设备还包括设备支架，所述设备支架包括：

主支架，适于安装所述三维激光扫描装置；

辅助支架，适于安装所述高速运动摄像机、所述主控单元及所述板载电池；

手握柄，连接所述主支架及所述辅助支架。

9.根据权利要求1所述的便携式图像与激光融合的三维扫描系统，其特征在于：所述控制与数据处理终端为便携式笔记本电脑。