CN107462153A - 一种快速建立三维空间模型的方法 - Google Patents

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    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

本发明公开了一种快速建立三维空间模型的方法，包括以下步骤：首先，在室内空间内通过启动步进电机驱动激光扫描仪转动，记录步进电机每转动一个角度α时，获取该激光扫描仪采集室内空间内各个角度的空间数据；其次，记录步进电机每次启动到停止转动的持续时间，以及记录激和光扫描仪每次扫描的时间并获取激光扫描仪与步进电机同步转动的时间内所扫描采集的三维空间数据，最后，将三维数据集合的坐标系变换成二维数据集合的坐标系，来使所述二维数据集合的每个二维数据映射至所述三维数据集合空间的封闭面，并在所述三维数据集合空间的封闭面内，搜索空间点P投影所在的位置。

Description

一种快速建立三维空间模型的方法
技术领域
本发明涉及空间测量与建模技术，尤其涉及一种快速建立三维空间模型的方法。
背景技术
建筑消防系统是一个重大的民生工程，关系到人民的生命财产安全和消防官兵的生命安全，而且我们都无法预料消防事故会发生在哪些建筑物中。目前，全国仅高层建筑就有数十万座，其余大大小小的建筑不计其数，这些建筑平面图纸都掌握在消防指挥中心，不论是设计和施工、日常监控还是消防实战等所涉及到的建筑图纸都未形成三维模型，也不能直观、高效地识别消防系统中遇到的各个建筑模型问题，因此我们需要对室内建筑的三维模型进行快速扫描建模，面对如此巨大的工作量，这将是一个艰巨的任务，传统的室内建筑模型是使用各种摄像机、照相机等进行测量，利用这些设备测量通常只能得到物体的平面图像，很难反应出室内建筑的三维模型结构信息，而且这些设备测量费用较高、测量速度较慢、劳动强度大，并且实时性要求较高，存在很大不确定性；当前最成熟的做法是通过现有的软件支持，例如3D、CAD、UG等来构建建筑楼层的三维模型数据，目前不少建筑物还没有CAD数据，这在消防救灾中就留下了漏洞，而且所得到的三维数据不够精确，因此通过计算机信息化手段升级消防系统，如何从多细节、多层次表达的角度出发，对室内空间的结构进行合理抽象，实现室内建筑的三维型进行重建，来恢复室内建筑的三维模型信息，已成为当前空间测量技术领域的共识。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速建立三维空间模型的方法，根据本发明的建模方法能快速的对室内空间数据进行采集处理，大大降低了人工劳动强度，提高了工作效率，本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种基于室内三维空间扫描的建模方法，包括以下步骤：
步骤S1：在室内空间内通过启动步进电机驱动激光扫描仪转动，记录步进电机每转动一个角度α时，获取该激光扫描仪采集室内空间内各个角度的空间数据；
步骤S2：记录步进电机每次启动到停止转动的持续时间，以及记录激光扫描仪每次扫描室内三维空间所持续的时间；
步骤S3：获取激光扫描仪与步进电机同步转动的时间内所扫描采集的三维空间数据，并将所扫描采集的三维空间数据分布成连续的空间点，得到三维数据集合；
步骤S4：通过三维数据集合的坐标系变换成二维数据集合的坐标系，来使所述二维数据集合的每个二维数据映射至所述三维数据集合空间的封闭面；
步骤S5：在所述三维数据集合空间的封闭面内，搜索空间点M投影所在的位置，以所搜到的每个空间点M投影构建封闭面为基础数据信息进行逐次迭代逼近计算，使每个封闭面与每个三维数据集合进行映射重合，构建准确接近三维空间内部形态，从而实现对室内三维空间大小的建模。
优选的，在步骤S2中记录所述激光扫描仪每次扫描室内三维空间所持续的时间包括起始时间、扫描时间和停止时间。
优选的，在步骤S1中所述激光扫描仪获取室内空间内各个角度的空间数据包括激光扫描仪与室内空间内的侧面的直线距离，以及步进电机每转动一个角度α时扫描仪所采集的室内三维空间点数。
优选的，步骤S5中在所述三维数据集合空间的封闭面内，搜索空间点M投影所在的位置，以所搜到的每个空间点M投影构建封闭面为基础数据信息进行逐次迭代逼近计算，包括如下步骤：
步骤S51：以动激光扫描仪所在的位置为原点O，建立以X轴、Y轴、Z轴为三维坐标系，将所搜到的空间点M分别在XOY、XOZ和YOZ的三个坐标平面内依次进行投影，在每个坐标平面内分别得到投影点集合阵列Pi、Qj、Sk，其中，i＝0、1…n、n+1；j＝0、1…m，m+1；k＝0、1…q、q+1；
步骤S52：以第一个投影点集合为起始点，分别选择Pi、Qj、Sk中与起始点最近的相邻空间点在不同方向(μ,ν)所形成的空间曲面；
步骤S53：对每个空间曲面S(μ,ν)按照扫描的时间先后顺序进行逐插接次拼接。
综上所述，由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有如下显著效果：
本发明通过三维空间扫描建模对所采集的空间数据进行离散处理，使每个封闭面与每个三维数据集合进行映射重合，构建准确接近三维空间内部形态，再将获取的数据进行拼接使构建形象逼真的三维模型，从而实现对室内三维空间大小的建模，实现了对不同精度数据集的统一处理，提高了空间建模的精度和计算效率，有效提三维室内空间曲面的建模的精度，通过本发明的建模方法能快速的对室内空间数据进行采集处理，大大降低了人工劳动强度，提高了工作效率。
附图说明
图1是本发明的一种快速建立三维空间模型的方法的流程图；
图2是本发明的一种快速建立三维空间模型的方法的投影图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
如图1所示，根据本发明的一种快速建立三维空间模型的方法，包括以下步骤：包括以下步骤：
步骤S1：在室内空间内通过启动步进电机驱动激光扫描仪转动，记录步进电机每转动一个角度α时，获取该激光扫描仪采集室内空间内各个角度的空间数据；各个角度的空间数据包括激光扫描仪与室内空间内的侧面的直线距离，以及步进电机每转动一个角度α时激光扫描仪所采集的室内三维空间点数；
步骤S2：记录步进电机每次启动到停止转动的持续时间，以及记录激光扫描仪每次扫描室内三维空间所持续的时间；记录所述激光扫描仪每次扫描室内三维空间所持续的时间包括起始时间T0、扫描时间Ts和停止时间Tn，其中，扫描时间Ts＝停止时间Tn-起始时间T0，激光扫描仪在室内三维空间内相对室内地面的高度为0.8m～1.2m，扫描精度为每秒256个采集点，因此采集点总数为Ts×α×256；
步骤S3：获取激光扫描仪与步进电机同步转动的时间内所扫描采集的三维空间数据，并将所扫描的三维空间数据分布成连续的空间点，得到三维数据集合，空间点代表室内空间各个面上的点；
步骤S4：通过三维数据集合的坐标系变换成二维数据集合的坐标系，来使所述二维数据集合的每个二维数据映射至所述三维数据集合空间的封闭面；
步骤S5：在所述三维数据集合空间的封闭面内，搜索空间点M投影所在的位置，以所搜到的每个空间点M投影构建封闭面为基础数据信息进行逐次迭代逼近计算，使每个封闭面与每个三维数据集合进行映射重合，构建准确接近三维空间内部形态，从而实现对室内三维空间大小的建模，在本发明中，所述三维数据集合空间的封闭面内，搜索空间点M投影所在的位置，以所搜到的每个空间点M投影构建封闭面为基础数据信息进行逐次迭代逼近计算，包括如下步骤：
步骤S51：以动激光扫描仪所在的位置为原点O，建立以X轴、Y轴、Z轴为三维坐标系，将所搜到的空间点M分别在XOY、XOZ和YOZ的三个坐标平面内依次进行投影，在每个坐标平面内分别得到投影点集合阵列Pi、Qj、Sk，其中，i＝0、1…n、n+1；j＝0、1…m，m+1；k＝0、1…q、q+1；
步骤S52：以第一个投影点集合为起始点，分别选择Pi、Qj、Sk中与起始点最近的相邻空间点在不同方向(μ,ν)所形成的空间曲面；因此每个空间曲面S(μ,ν)满足：
其中(0≤μ,ν≤1)；Bj,q(ν)，Bi,p(μ)
其中，λi为权值，Bi,p(μ)为μ方向上p次B样条曲面片，Bj,q(ν)为ν方向上q次B样条曲面片,Qi，j为(m+1)×(n+1)为由每个空间点组成的控制点，n为μ方向上的点数，m为ν方向上的点数；其中，进电机每转动一个角度α时所包括的点数等于扫描时间×α×256(扫描时间等于停止时间减去起始时间)，为了提高减少激光扫描仪扫描和步进电机和启动之间的误差，将对扫描时间进行修订，进电机每转动一个角度α时的点数等于(扫描时间-γ)×α×256,γ为修正时间，取值为15ms～30ms；
步骤S53：对每个空间曲面S(μ,ν)按照扫描的时间先后顺序进行逐插接次拼接，即得到所需要的三维空间模型。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种快速建立三维空间模型的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：在室内空间内通过启动步进电机驱动激光扫描仪转动，记录步进电机每转动一个角度α时，获取该激光扫描仪采集室内空间内各个角度的空间数据；
步骤S2：记录步进电机每次启动到停止转动的持续时间，以及记录激光扫描仪每次扫描室内三维空间所持续的时间；
步骤S3：获取激光扫描仪与步进电机同步转动的时间内所扫描采集的三维空间数据，并将所扫描的三维空间数据分布成连续的空间点，得到三维数据集合；
步骤S4：通过三维数据集合的坐标系变换成二维数据集合的坐标系，来使所述二维数据集合的每个二维数据映射至所述三维数据集合空间的封闭面；
步骤S5：在所述三维数据集合空间的封闭面内，搜索空间点M投影所在的位置，以所搜到的每个空间点M投影构建封闭面为基础数据信息进行逐次迭代逼近计算，使每个封闭面与每个三维数据集合进行映射重合，构建准确接近三维空间内部形态，从而实现对室内三维空间大小的建模。
2.根据权利要求1所述的一种快速建立三维空间模型的方法，其特征在于：在步骤S2中记录所述激光扫描仪每次扫描室内三维空间所持续的时间包括起始时间、扫描时间和停止时间。
3.根据权利要求1所述的一种快速建立三维空间模型的方法，其特征在于：在步骤S1中所述激光扫描仪获取室内空间内各个角度的空间数据包括激光扫描仪与室内空间内的侧面的直线距离，以及步进电机每转动一个角度α时激光扫描仪所采集的室内三维空间点数。
4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述一种快速建立三维空间模型的方法，其特征在于：所述激光扫描仪在室内三维空间内相对室内地面的高度为0.8m～1.2m，扫描精度为每秒256个采集点。
5.根据权利要求1所述的一种快速建立三维空间模型的方法，其特征在于：步骤S5中在所述三维数据集合空间的封闭面内，搜索空间点M投影所在的位置，以所搜到的每个空间点M投影构建封闭面为基础数据信息进行逐次迭代逼近计算，包括如下步骤：
步骤S51：以动激光扫描仪所在的位置为原点O，建立以X轴、Y轴、Z轴为三维坐标系，将所搜到的空间点M分别在XOY、XOZ和YOZ的三个坐标平面内依次进行投影，在每个坐标平面内分别得到投影点集合阵列Pi、Qj、Sk，其中，i＝0、1…n、n+1；j＝0、1…m，m+1；k＝0、1…q、q+1；
步骤S52：以第一个投影点集合为起始点，分别选择Pi、Qj、Sk中与起始点最近的相邻空间点在不同方向(μ,ν)所形成的空间曲面；
步骤S53：对每个空间曲面S(μ,ν)按照扫描的时间先后顺序进行逐插接次拼接。
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