CN105157566A - 彩色三维激光扫描仪及三维立体彩色点云扫描的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种彩色三维激光扫描仪及三维立体彩色点云扫描的方法，本发明的三维立体彩色点云扫描系统，采用普通光与激光相结合的复合式技术，用于空间或物体的外形结构和色彩纹理进行扫描，以获得空间或物体表面的空间坐标信息和色彩纹理信息，并将这些信息转化为同时包含坐标信息以及彩色信息的数字化模型，提供给机械制造、家装设计、建筑和土木工程、文化遗产保护、游戏开发等行业及其他相关行业应用。本发明设计具有一次成型，不需要后期处理，在一分钟内完成360度的全景建模，整个过程全自动，在快速性的同时还保证了测量数据的准确性。

Description

彩色三维激光扫描仪及三维立体彩色点云扫描的方法

技术领域

本发明涉及扫描领域，尤其涉及彩色三维激光扫描仪及三维立体彩色点云扫描的方法。

背景技术

三维扫描技术的应用领域非常广泛，在机械制造、家装设计、建筑和土木工程、文化遗产保护、游戏开发等行业领域对三维模型都有很大需求。

目前有几种类型的光学扫描仪，一种是通过点状激光或线状激光对三维空间进行测量，但这种扫描仪只能获取三维空间信息，无法获取空间或物体表面的彩色纹理信息，如果要添加彩色纹理信息，必须通过专业的数码设备获取彩色图片，并通过纹理贴图获得彩色的三维模型，但这一过程需要耗费大量的人力物力，而且由于激光和数码设备采集信息的位置有所偏差，导致获得的彩色三维模型在准确性以及效果上都很有限。

另外一种可选择的扫描系统是普通光扫描。利用侧面影像的方法，从单镜头获取大量的视觉数据点，并通过获取的大量物体图像与物体相关角度相关联，通过图像处理对空间或物体进行三维重建，并确定该物体或空间表面的色彩信息。但这种方法有很大局限性，图像处理所获得的三维空间数据在超过5米的大场景下精确性远远比不上激光测量。

而且，扫描、测量或者其它3D物体获取数据的装置，例如进行三维重建，在速度和精度上很难兼顾。

因此，在扫描、测量空间或物体的三维空间数据和彩色纹理数据的装置，从实景快速地、精确地获取三维数据和彩色纹理数据、生成彩色点云或相关模型，比以前的系统有了很大的改进。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种彩色三维激光扫描仪，其包括激光头、电机控制模块、反光镜、水平旋转台、同步控制模块、图像传感器和镜头，所述图像传感器和镜头固定在水平旋转台上，图像传感器和镜头获取空间或物体表面的彩色纹理信息，所述激光头包括激光发射器和激光接收器，电机控制模块控制第一电机和第二电机，第一电机控制反光镜旋转使激光束进行竖直方向上的线扫描，激光头固定在水平旋转台上，第二电机用于控制水平旋转台旋转，激光在进行线扫描的同时进行水平方向扫描；

同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，电机控制模块控制第二电机用于控制水平旋转台旋转，从而使固定在水平旋转台上的镜头和图像传感器获取影像素材，水平旋转台每旋转一个固定的角度停止后，同步控制模块向图像处理模块发送信号，图像处理模块控制图像传感器和镜头获取影像素材；获取素材后图像处理模块向同步控制模块发送反馈型号，同步控制模块再一次向电机控制模块发送控制命令，控制第二电机使水平旋转台旋转固定角度，直到多次转动的角度加起来大于360度减去镜头横向视场角度的二分之一。

作为本发明的进一步改进，还包括计算单元，所述计算单元通过同步控制模块控制电机控制模块。

作为本发明的进一步改进，还包括底壳、下壳、左上壳和右上壳、支撑构件，圆柱形的支撑构件固定在水平旋转台上，随水平旋转台转动而转动，左上壳和右上壳通过螺丝固定，合成整体后通过螺丝与支撑构件固定，随支撑构件的转动而旋转，底壳通过螺丝与下壳固定。

作为本发明的进一步改进，还包括刻度环，刻度环通过螺丝固定在下壳。

作为本发明的进一步改进，电机控制模块通过螺丝固定在下壳。

作为本发明的进一步改进，水平旋转台通过电池压板的螺丝位固定在下壳。

作为本发明的进一步改进，同步控制模块通过螺丝固定在下壳。

作为本发明的进一步改进，锂电池通过机械卡位固定在电池压板上，再与底壳紧配，还包括第一编码器和第二编码器，第一编码器和第二编码器分别通过联轴器固定在第一电机和第二电机的轴上。

一种利用上述任意一项彩色三维激光扫描仪进行三维立体彩色点云扫描的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：计算单元的交互界面上操控彩色三维激光扫描仪开始测量，如果没有开始测量则彩色三维激光扫描仪保持待机状态；

步骤2：计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，控制第一电机、第二电机旋转；

步骤3：计算单元通过距离测距模块控制激光发射器和激光接收器进行激光测距，同时获取第一编码器和第二编码器的码盘读数；

步骤4：计算单元通过第二编码器的读数判断第二电机旋转的角度，如果旋转角度达到360度，计算单元控制第二电机停止转动，如果旋转角度小于360度，则计算单元控制第二电机继续转动；

步骤5：计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，控制第二电机反向旋转，直到反向旋转角度达到360度，也就是回到初始位置；

步骤6：计算单元进行数据融合与处理，生成360度的三维激光点云；

步骤7：计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，电机控制模块控制第二电机用于控制水平旋转台旋转，从而使固定在水平旋转台上的镜头和图像传感器获取影像素材；旋转台每旋转一个固定的角度停止后，同步控制模块向图像处理模块发送信号，图像处理模块控制图像传感器和镜头获取影像素材；获取素材后图像处理模块向同步控制模块发送反馈型号，同步控制模块再一次向电机控制模块发送控制命令，控制第二电机使水平旋转台旋转固定角度，直到多次转动的角度加起来大于360度减去镜头横向视场角度的二分之一，最终获取一组图像素材；

步骤8：计算单元根据步骤7获取的一组图像素材对步骤6生成的三维激光点云进行点云分割，所分得的三维激光点云模型个数与步骤7获取的图像素材的文件个数相等，并且一一对应；

步骤9：计算单元对步骤8生成的一一对应的三维激光点云模型和图像素材进行纹理映射关系进行点云着色，得到一组彩色的三维激光点云模型，彩色三维激光点云模型个数与步骤8生成的一一对应关系的个数相等，计算单元将多组彩色激光点云进行数据处理，得到360度的彩色三维激光点云；

步骤10：计算单元对步骤9生成的彩色三维激光点云进行平滑处理；

步骤11：计算单元对步骤10处理后的彩色三维激光点云进行点云渲染，并且生成可视化显示界面；

步骤12：计算单元的交互界面可以选择撤销本次测量数据，或者保存本次测量数据；

步骤13：计算单元的交互界面操控彩色三维激光扫描仪开始下一次测量，如果没有开始下一次测量则彩色三维激光扫描仪保持待机状态，直到彩色三维激光扫描仪关闭。

作为本发明的进一步改进，所述步骤6三维激光点云建模如下：

在第二电机固定不动的前提下，对第一电机旋转所测量的二维激光点云数据建立平面坐标系，坐标系原点位于第一电机的反光镜旋转中心，从距离测距模块读出的激光测量数据包含测量距离，计算单元通过第一电机所装配的第一编码器获得激光电源所对应的角度，将距离、角度映射为直角坐标：

式中d——测量点距离返回值，通过激光测距模块读取；

θ——测量点角度返回值，通过第一电机所装配的第一编码器读取；

而三维坐标系的建立，规定以起始时刻二维激光扫描平面为XZ平面，Z轴沿转台轴心向上建立右手坐标系，并且转台绕Z轴逆时针方向旋转，由此得出三维坐标：

其中——转台相对于起始位置的旋转角度，通过第二电机所装配的第二编码器读取。

本发明的有益效果是：

本发明的三维立体彩色点云扫描系统，采用普通光与激光相结合的复合式技术，用于空间或物体的外形结构和色彩纹理进行扫描，以获得空间或物体表面的空间坐标信息和色彩纹理信息，并将这些信息转化为同时包含坐标信息以及彩色信息的数字化模型，提供给机械制造、家装设计、建筑和土木工程、文化遗产保护、游戏开发等行业及其他相关行业应用。本发明设计具有一次成型，不需要后期处理，在一分钟内完成360度的全景建模，整个过程全自动，在快速性的同时还保证了测量数据的准确性。

附图说明

图1是本发明工作原理框图；

图2是本发明整体结构示意图；

图3是本发明分解结构示意图；

图4是本发明工作流程图；

图5是本发明激光点云模型二维坐标系示意图；

图6是本发明激光点云模型三维坐标系示意图；

图7是本发明获取图片素材工作示意图；

图8是图像点与世界坐标点一一对应关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

原理如下：

如图1所示，该装置包括测量头、旋转台、控制器、图像处理模块、计算单元(计算机、手机、平板、嵌入式电脑)。

获取三维激光点云：测量头中的激光发射器用于发射高频脉冲激光，当激光打到目标物体后，再被激光接收器探测到，并记录下前后的时间差，从而确定扫描仪到目标物表面的距离；

计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，电机控制器控制第一电机用于控制反光镜旋转使激光束可以进行竖直方向上的线扫描，同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，电机控制模块控制第二电机用于控制水平旋转台旋转，使固定在水平旋转台上的激光可以在进行线扫描的同时进行水平方向扫描，通过精密的电机控制系统及同步控制模块来进行准确配准，进而计算出每个激光点在三维空间中的位置(x,y,z)，得到空间或物体的三维激光点云模型；

获取彩色纹理信息：固定在水平旋转台上的图像传感器和镜头获取空间或物体表面的彩色纹理信息。同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，电机控制模块控制第二电机用于控制水平旋转台旋转，从而使固定在水平旋转台上的镜头和图像传感器获取影像素材。旋转台每旋转一个固定的角度停止后，同步控制模块向图像处理模块发送信号，图像处理模块控制图像传感器和镜头获取影像素材。

获取素材后图像处理模块向同步控制模块发送反馈型号，同步控制模块再一次向电机控制模块发送控制命令，控制第二电机使水平旋转台旋转固定角度。直到多次转动的角度加起来大于360度减去镜头横向视场角度的二分之一。

三维激光点云渲染：结合三维激光点云模型和彩色纹理信息生成三维彩色点云模型。

如图3所示，一种彩色三维激光扫描仪，其包括激光头100、电机控制模块200、反光镜300、水平旋转台400、同步控制模块500、图像传感器111和镜头222，所述图像传感器111和镜头222固定在水平旋转台400上，图像传感器111和镜头222获取空间或物体表面的彩色纹理信息，所述激光头100包括激光发射器和激光接收器，电机控制模块200控制第一电机201和第二电机202，第一电机201控制反光镜300旋转使激光束进行竖直方向上的线扫描，激光头100固定在水平旋转台400上，第二电机202用于控制水平旋转台400旋转，激光在进行线扫描的同时进行水平方向扫描；

同步控制模块500向电机控制模块200发送控制命令，电机控制模块200控制第二电机202用于控制水平旋转台400旋转，从而使固定在水平旋转台400上的镜头和图像传感器获取影像素材，水平旋转台400每旋转一个固定的角度停止后，同步控制模块500向图像处理模块501发送信号，图像处理模块501控制图像传感器111和镜头222获取影像素材；获取素材后图像处理模块501向同步控制模块500发送反馈型号，同步控制模块500再一次向电机控制模块200发送控制命令，控制第二电机202使水平旋转台旋转固定角度，直到多次转动的角度加起来大于360度减去镜头横向视场角度的二分之一。

还包括计算单元、底壳601、下壳602、左上壳603、右上壳604、支撑构件800，、刻度环700、第一编码器和第二编码器2021。

所述计算单元通过同步控制模块500控制电机控制模块200。圆柱形的支撑构件800固定在水平旋转台400上，随水平旋转台400转动而转动，左上壳603和右上壳604通过螺丝固定，合成整体后通过螺丝与支撑构件800固定，随支撑构件800的转动而旋转，底壳601通过螺丝与下壳602固定。

刻度环700通过螺丝固定在下壳602。电机控制模块200通过螺丝固定在下壳602。水平旋转台400通过电池压板902的螺丝位固定在下壳602。同步控制模块500通过螺丝固定在下壳602。锂电池901通过机械卡位固定在电池压板902上，再与底壳601紧配，第一编码器和第二编码器2021分别通过联轴器固定在第一电机201和第二电机202的轴上。

流程图步骤:

步骤1：计算单元的交互界面上操控彩色三维激光扫描仪开始测量，如果没有开始测量则彩色三维激光扫描仪保持待机状态；

步骤2：计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，控制第一电机、第二电机旋转；

步骤3：计算单元通过距离测距模块控制激光发射器和激光接收器进行激光测距，同时获取第一编码器和第二编码器的码盘读数；

步骤4：计算单元通过第二编码器的读数判断第二电机旋转的角度，如果旋转角度达到360度，计算单元控制第二电机停止转动，如果旋转角度小于360度，则计算单元控制第二电机继续转动；

步骤5：计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，控制第二电机反向旋转，直到反向旋转角度达到360度，也就是回到初始位置(零位)；

步骤6：计算单元进行数据融合与处理，生成360度的三维激光点云；

步骤7：计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，电机控制模块控制第二电机用于控制水平旋转台旋转，从而使固定在水平旋转台上的镜头和图像传感器获取影像素材；旋转台每旋转一个固定的角度停止后，同步控制模块向图像处理模块发送信号，图像处理模块控制图像传感器和镜头获取影像素材；获取素材后图像处理模块向同步控制模块发送反馈型号，同步控制模块再一次向电机控制模块发送控制命令，控制第二电机使水平旋转台旋转固定角度。直到多次转动的角度加起来大于360度减去镜头横向视场角度的二分之一，最终获取一组图像素材。

步骤8：计算单元根据步骤7获取的一组图像素材对步骤6生成的三维激光点云进行点云分割，所分得的三维激光点云模型个数与步骤7获取的图像素材的文件个数相等，并且一一对应；

步骤9：计算单元对步骤8生成的一一对应的三维激光点云模型和图像素材进行纹理映射关系进行点云着色，得到一组彩色的三维激光点云模型，彩色三维激光点云模型个数与步骤8生成的一一对应关系的个数相等，计算单元将多组彩色激光点云进行数据处理，得到360度的彩色三维激光点云；

步骤10：计算单元对步骤9生成的彩色三维激光点云进行平滑处理；

步骤11：计算单元对步骤10处理后的彩色三维激光点云进行点云渲染，并且生成可视化显示界面；

步骤12：计算单元的交互界面可以选择撤销本次测量数据，或者保存本次测量数据；

步骤13：计算单元的交互界面操控彩色三维激光扫描仪开始下一次测量，如果没有开始下一次测量则彩色三维激光扫描仪保持待机状态，直到彩色三维激光扫描仪关闭。

步骤6具体如下：

三维激光点云建模

为了进行系统化数据采集，在第二电机固定不动的前提下，对第一电机旋转所测量的二维激光点云数据建立平面坐标系，坐标系原点位于第一电机的反光镜旋转中心。从距离测距模块读出的激光测量数据包含测量距离，计算单元通过第一电机所装配的第一编码器获得激光电源所对应的角度，如图6所示，深色区域为激光扫描范围。将距离、角度映射为直角坐标：

式中d——测量点距离返回值，通过激光测距模块读取；

θ——测量点角度返回值，通过第一电机所装配的第一编码器读取。

而三维坐标系的建立，本申请规定以起始时刻二维激光扫描平面为XZ平面，Z轴沿转台轴心向上建立右手坐标系，并且转台绕Z轴逆时针方向旋转，如图7所示，由此得出三维坐标：

其中——转台相对于起始位置的旋转角度，通过第二电机所装配的第二编码器读取。

步骤9具体如下：

点云着色

由于激光扫描仪只能得到物体表面的三维坐标信息，不能逼真的表示当前的物体，这就需要对点云进行着色处理。在已经获取点云数据的情况下，要获取点云的颜色纹理信息，必须通过图像传感器获取物体表面的物理信息，进而获取物体表面点的颜色信息。

其中，图像采集系统包括计算单元、图像处理模块、图像传感器、镜头。计算单元控制图像处理模块通过图像传感器和镜头进行图像采集，获取纹理图像。由于摄像机的局限性，拍摄一张图像不可能包含空间360°内的所有物体表面的文理信息，故实验室中需要采集多张图像，获取一组纹理图像原理图：

OA为相机初始位置的朝向，β是相机水平方向的最大视场角，由图可知，采集360度范围内的景物纹理图，每次拍照只需要将相机绕相机中心O点旋转β的角度，如第二次拍照时，相机朝向OA旋转到OB位置。依次旋转360度即可获得360度的图片素材，这组图片素材就是步骤7所获取的一组图像素材。

相机标定的实质是确定摄像机内参数和外参数,也就是纹理映射关系，即可将图像坐标上的点与世界坐标系下的点建立一一对应关系。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种彩色三维激光扫描仪，其特征在于：其包括激光头（100）、电机控制模块（200）、反光镜（300）、水平旋转台（400）、同步控制模块（500）、图像传感器（111）和镜头（222），所述图像传感器（111）和镜头（222）固定在水平旋转台（400）上，图像传感器（111）和镜头（222）获取空间或物体表面的彩色纹理信息，所述激光头（100）包括激光发射器和激光接收器，电机控制模块（200）控制第一电机（201）和第二电机（202），第一电机（201）控制反光镜（300）旋转使激光束进行竖直方向上的线扫描，激光头（100）固定在水平旋转台（400）上，第二电机（202）用于控制水平旋转台（400）旋转，激光在进行线扫描的同时进行水平方向扫描；

同步控制模块（500）向电机控制模块（200）发送控制命令，电机控制模块（200）控制第二电机（202）用于控制水平旋转台（400）旋转，从而使固定在水平旋转台（400）上的镜头和图像传感器获取影像素材，水平旋转台（400）每旋转一个固定的角度停止后，同步控制模块（500）向图像处理模块（501）发送信号，图像处理模块（501）控制图像传感器（111）和镜头（222）获取影像素材；获取素材后图像处理模块（501）向同步控制模块（500）发送反馈型号，同步控制模块（500）再一次向电机控制模块（200）发送控制命令，控制第二电机（202）使水平旋转台旋转固定角度，直到多次转动的角度加起来大于360度减去镜头横向视场角度的二分之一。

2.根据权利要求1所述的彩色三维激光扫描仪，其特征在于：还包括计算单元，所述计算单元通过同步控制模块（500）控制电机控制模块（200）。

3.根据权利要求1所述的彩色三维激光扫描仪，其特征在于：还包括底壳（601）、下壳（602）、左上壳（603）和右上壳（604）、支撑构件（800），圆柱形的支撑构件（800）固定在水平旋转台（400）上，随水平旋转台（400）转动而转动，左上壳（603）和右上壳（604）通过螺丝固定，合成整体后通过螺丝与支撑构件（800）固定，随支撑构件（800）的转动而旋转，底壳（601）通过螺丝与下壳（602）固定。

4.根据权利要求1所述的彩色三维激光扫描仪，其特征在于：还包括刻度环（700），刻度环（700）通过螺丝固定在下壳（602）。

5.根据权利要求3所述的彩色三维激光扫描仪，其特征在于：电机控制模块（200）通过螺丝固定在下壳（602）。

6.根据权利要求3所述的彩色三维激光扫描仪，其特征在于：水平旋转台（400）通过电池压板（902）的螺丝位固定在下壳（602）。

7.根据权利要求3所述的彩色三维激光扫描仪，其特征在于：同步控制模块（500）通过螺丝固定在下壳（602）。

8.根据权利要求3所述的彩色三维激光扫描仪，其特征在于：锂电池（901）通过机械卡位固定在电池压板（902）上，再与底壳（601）紧配，还包括第一编码器和第二编码器（2021），第一编码器和第二编码器（2021）分别通过联轴器固定在第一电机（201）和第二电机（202）的轴上。

9.一种利用权利要求1至8任意一项彩色三维激光扫描仪进行三维立体彩色点云扫描的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：计算单元的交互界面上操控彩色三维激光扫描仪开始测量，如果没有开始测量则彩色三维激光扫描仪保持待机状态；

步骤2：计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，控制第一电机、第二电机旋转；

步骤3：计算单元通过距离测距模块控制激光发射器和激光接收器进行激光测距，同时获取第一编码器和第二编码器的码盘读数；

步骤4：计算单元通过第二编码器的读数判断第二电机旋转的角度，如果旋转角度达到360度，计算单元控制第二电机停止转动，如果旋转角度小于360度，则计算单元控制第二电机继续转动；

步骤5：计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，控制第二电机反向旋转，直到反向旋转角度达到360度，也就是回到初始位置；

步骤6：计算单元进行数据融合与处理，生成360度的三维激光点云；

步骤7：计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，电机控制模块控制第二电机用于控制水平旋转台旋转，从而使固定在水平旋转台上的镜头和图像传感器获取影像素材；旋转台每旋转一个固定的角度停止后，同步控制模块向图像处理模块发送信号，图像处理模块控制图像传感器和镜头获取影像素材；获取素材后图像处理模块向同步控制模块发送反馈型号，同步控制模块再一次向电机控制模块发送控制命令，控制第二电机使水平旋转台旋转固定角度，直到多次转动的角度加起来大于360度减去镜头横向视场角度的二分之一，最终获取一组图像素材；

步骤8：计算单元根据步骤7获取的一组图像素材对步骤6生成的三维激光点云进行点云分割，所分得的三维激光点云模型个数与步骤7获取的图像素材的文件个数相等，并且一一对应；

步骤9：计算单元对步骤8生成的一一对应的三维激光点云模型和图像素材进行纹理映射关系进行点云着色，得到一组彩色的三维激光点云模型，彩色三维激光点云模型个数与步骤8生成的一一对应关系的个数相等，计算单元将多组彩色激光点云进行数据处理，得到360度的彩色三维激光点云；

步骤10：计算单元对步骤9生成的彩色三维激光点云进行平滑处理；

步骤11：计算单元对步骤10处理后的彩色三维激光点云进行点云渲染，并且生成可视化显示界面；

步骤12：计算单元的交互界面可以选择撤销本次测量数据，或者保存本次测量数据；

步骤13：计算单元的交互界面操控彩色三维激光扫描仪开始下一次测量，如果没有开始下一次测量则彩色三维激光扫描仪保持待机状态，直到彩色三维激光扫描仪关闭。

10.根据权利要求9所述的三维立体彩色点云扫描的方法，其特征在于：所述步骤6三维激光点云建模如下：

在第二电机固定不动的前提下，对第一电机旋转所测量的二维激光点云数据建立平面坐标系，坐标系原点位于第一电机的反光镜旋转中心，从距离测距模块读出的激光测量数据包含测量距离，计算单元通过第一电机所装配的第一编码器获得激光电源所对应的角度，将距离、角度映射为直角坐标：

式中d——测量点距离返回值，通过激光测距模块读取；

θ——测量点角度返回值，通过第一电机所装配的第一编码器读取；

而三维坐标系的建立，规定以起始时刻二维激光扫描平面为XZ平面，Z轴沿转台轴心向上建立右手坐标系，并且转台绕Z轴逆时针方向旋转，由此得出三维坐标：

其中——转台相对于起始位置的旋转角度，通过第二电机所装配的第二编码器读取。