CN107870334A - 基于嵌入式gpu的单像素激光雷达成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置，其包括：水平传动电机(1)、垂直传动电机(4)、激光测距传感器底座(2)、单像素飞时激光测距传感器(3)和嵌入式GPU底座(5)。水平传动电机带动激光测距传感器底座做水平轴向转动，垂直传动电机与水平传动电机级联带动激光测距传感器做垂直轴向运动，激光测距传感器通过发射和接收激光信号获得周围场景的信息，并把这些信息传入嵌入式GPU底座中，嵌入式GPU底座，根据输入的信息进行均匀光滑曲面重建，并将重建好的三维光滑曲面模型进行动态成像显示。本发明体积小，功耗低，三维场景的感知效率高，能动态探测半球空间中三维环境信息，可用于目标三维点云模型获取。

Description

基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置及成像方法

技术领域

本发明属于激光雷达探测技术领域，特别涉及一种基于单像素激光雷达成像装置，可 用于目标三维点云模型获取、场景三维信息感知和室内环境扫描重建。

背景技术

激光雷达探测技术有助于提高感知周围三维环境的能力，该技术是利用激光测距技术 获得场景中各个对象的三维坐标信息，基于激光雷达探测技术的应用被广泛使用在军事和 民用领域，如激光雷达预警系统、无人驾驶汽车和室内精确定位等。传统的激光雷达存在 扫描生成的数据量大、三维信息处理运算复杂和面阵探测器成本高昂的问题，限制了其在 三维信息感知领域中的应用范围。因此，构建高效的、微型的、精确的激光雷达成像装置 就显得尤为重要。

目前，已有多种小型化的三维成像和感知方法与装置，包括微软公司的Kinect三维 体感装置、基于双目视觉或多视点的立体成像技术、线扫描激光雷达装置等。其中：

Kinect三维体感装置，主要集成了多个传感器，用于获得人体的手势、姿态等深度信 息，但是该装置不具备完整的三维场景感知能力，只能获得朝向方向的深度信息，且其成 像结果需要经过异源数据的融合处理，处理方法比较复杂。

基于双目视觉或多视点的立体成像方法是计算机图形学应用中的经典手段，都是通过 图像的方式保存目标在不同视角下的位置信息，通过特征点匹配的方法进行配准，在图像 /视频处理和计算机视觉领域中较为流行，但该方法需要对所有图像进行极线匹配，且对 成像装置需要进行精确定标，处理效率低下。

目前较为流行的线扫描激光雷达通过向三维场景发射激光光速并精确统计回波的时 间间隔，进而获得目标距激光雷达的距离，获得对周围环境的三维信息。但是线扫描激光 雷达装置需要让线阵探测器高速旋转扫描，因此对机械加工和装置稳定性要求较高，体积 较大，功耗较高，数据处理效率较低，很难适用于便携与小型的三维场景感知应用。

上述几种三维场景感知与探测方法的共同不足是：对周围三维场景的感知效率不高， 与小型化、智能化的激光雷达立体成像应用不兼容。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于嵌入式GPU的单像素激光 雷达成像装置及成像方法，以提高对场景三维信息获取的效率和点云数据的质量，并能兼 容激光雷达在小型化、智能化平台的应用。

本发明的技术通过将激光飞时单元探测器与两轴转台相结合，建立基于嵌入式GPU的 单像素激光雷达成像装置,其技术实现方案如下：

一种基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置，其特征在于，包括：

水平传动电机，用于带动激光测距传感器底座作水平轴向的运动；

激光测距传感器底座，用于带动单像素飞时激光测距传感器进行水平和垂直两个轴向 的运动；

单像素飞时激光测距传感器，固定在激光测距传感器底座上，用于收集水平和垂直两 个方向上空间的点云数据信息，将这些信息发送到嵌入式GPU底座中；

垂直传动电机，用于带动单像素飞时激光测距传感器作垂直轴向的转动；

嵌入式GPU底座，根据单像素飞时激光测距传感器输入的空间点云数据信息，通过多 线程并行处理方式完成对该点云数据的非线性曲面指数计算和均匀光滑曲面重建，并将重 建好的三维光滑曲面模型进行动态成像显示。

上述装置，其特征在于水平传动电机中设有扫描步长控制单元，用于通过接收来自嵌 入式GPU底座的指令控制水平传动电机的传动杆水平转动。

上述装置，其特征在于垂直传动电机与水平传动电机级联带动激光测距传感器底座做 水平和垂直两个轴向的转动，激光测距传感器采集周围环境到自身的距离信息，并将距离 信息构建成半球空间点云数据，最后通过接线将距离信息传入到嵌入式底座中。

上述装置，其特征在于嵌入式GPU底座中设有：

供电与数据指令传输单元，用于将水平传动电机、垂直传动电机和激光测距传感器连 接到嵌入式GPU底座，由嵌入式GPU板卡提供5V的供电电压；

嵌入式GPU板卡，用于接受来自激光测距传感器的半球空间点云数据并进行计算，得 到均匀的规则四边形模型网格，并保存成三维模型格式后输出给嵌入式GPU动态渲染单元。

嵌入式GPU动态渲染单元，用于将嵌入式GPU板卡中的三维几何模型作为输入，对三 维几何模型进行着色处理，动态地显示三维图像。

本发明利用所述装置进行成像的方法，包括：

1)利用嵌入式GPU板卡控制水平和垂直转动的两个传动电机按顺序启动，进行激光 扫描；

2)采集激光传感器到周围环境点的距离信息；

3)计算三维点云坐标数据：

3a)传动电机的每一个步进间隔，都对应着一个空间反射点的距离信息，根据极坐标 到笛卡尔坐标系的转换关系，将这些距离信息计算得到一个基于右手坐标系的空间三维坐 标；

3b)处理2)中采集到的距离数据，将每三个数据作为一组进行随机分配来计算出点 云坐标数据，充分利用数据传输带宽，提高三维坐标计算的效率；

3c)将3a)中计算的三维坐标数据和3b)中的点云坐标数据以一维数组的形式存放于嵌入式GPU板卡的显存中，同时，利用GPU的异步传输技术，将显存中的三维点云数据 传输到嵌入式GPU板卡的内存中，在整个半球空间扫描完成后以一个二进制文件的形式保 存到嵌入式GPU板卡的固态硬盘中，此二进制文件包含了半球空间的点云数据信息；

4)并行计算非线性曲面指数，生成均匀四边形网络：

4a)在统一的世界坐标系下，将3)中半球空间点云数据中的所有点云向三个平面投 影，生成三组二维坐标列表；

4b)设定均匀网格的数目，在每组二维坐标列表中应用最小二乘拟合的方法， 获得每个节点的非线性插值系数；

4c)在4a)中的各自的二维坐标空间中进行插值，分别生成三组均匀二维网格点；

4d)在三维空间中，计算到达3)中点云的各个点最近的6领域点：上、下、左、右、前、后；

4e)以6领域点的距离为参数，建立三次样条函数曲线，计算每个点的非线性曲线指数；

4f)剔除不在均匀网格中的点，生成均匀四边形网格。

5)动态显示三维均匀网络模型：

5a)将4)中的四边形网格输入到GPU的渲染管线；

5b)通过设计光照的强度，范围从0到1取值，设置光照的方向，指定一个三维位置，添加一个虚拟的光源；

5c)设计每个几何顶点的着色方式，利用着色脚本进行并行赋值，通过虚拟光源的属 性计算当前观察方向下每个顶点的颜色；

5d)利用GPU的片段程序对四边形网格内部进行颜色插值运算；

5e)在显示屏幕上动态输出着色后的三维均匀网格模型。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明由于在探测目标点时，采用了单像素飞时激光测距传感器，结合水平传动机与 垂直传动机进行扫描，使得激光探测模块体积缩小、功率降低，且能与微小型三维场景感 应用相兼容；同时由于本发明利用嵌入式GPU作为数据处理与三维图像渲染平台，可以对 采集到的半球空间点云数据进行实时处理，提高了并行运算能力。

附图说明

图1为本发明基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置的结构示意图。

图2为一体化激光雷达控制单元的功能模块图。

图3为用本发明装置进行三维图像生成方法的流程图。

图4为本发明方法中对M个三维点坐标进行计算获得的非线性曲线指数的示意图。

图5为本发明方法中构建基于嵌入式GPU渲染三维均匀平滑网格模型的子流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照附图1，本发明基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置，包括水平传动电机 1、激光测距传感器底座2、单像素飞时激光测距传感器3、垂直传动电机4、嵌入式GPU 底座5。水平传动电机1的垂直传动杆12与激光测距传感器底座2连接，带动激光测距 传感器底座做水平转动；单像素飞时激光测距传感器3位于激光测距传感器底座2上，随 着激光测距传感器底座一起水平转动，同时向周围空间发射和接收激光信号；垂直传动电 机4固定在激光测距传感器底座2上，其水平传动杆41连接单像素飞时激光测距传感器 3，可以控制激光测距传感器做垂直方向的转动；通过水平传动电机和垂直传动电机的运 动带动激光测距传感器3转动扫描采集空间距离数据和水平、垂直两轴联动姿态，整合成 半球空间点云数据信息传输到嵌入式GPU底座5；嵌入式GPU底座5，根据输入的半球空 间点云数据信息，通过多线程并行处理方式完成对该点云数据的非线性曲面指数计算和均 匀光滑曲面重建，并将重建好的三维光滑曲面模型进行动态成像显示。

所述水平传动电机1中设有扫描步长控制单元11，用于通过接收来自嵌入式GPU底座 的指令控制水平传动电机的传动杆12水平转动。

所述垂直传动电机4与水平传动电机1级联，带动激光测距传感器底座2做水平和垂 直两个轴向的转动，因此激光测距传感器3可以采集周围环境到自身的距离信息，并将距 离信息构建成半球空间点云数据，最后通过接线将距离信息传入到嵌入式底座5中。

所述嵌入式GPU底座5中设有：供电与数据指令传输单元51、嵌入式GPU板卡52、 一体化激光雷达控制单元和嵌入式GPU动态渲染单元53。

该供电与数据指令传输单元51，用于将水平传动电机1、垂直传动电机4和激光测距 传感器3连接到嵌入式GPU底座，由嵌入式GPU板卡提供5V的供电电压；

该嵌入式GPU板卡52中设有GPU渲染管线，用于生成三维均匀网络模型；三维坐标数据存储单元，用于接收来自激光测距传感器3的半球空间点云数据信息，提取其中的三维坐标数据并保存，这些三维坐标数据被一体化激光雷达控制软件使用；

该嵌入式GPU动态渲染单元53，用于将一体化激光雷达控制单元中几何模型生成模块 计算出的三维几何模型作为输入，对三维几何模型进行着色处理，动态地显示三维图像；

该一体化激光雷达控制单元，用于生成三维模型，并把三维模型输出给GPU动态渲染 单元(53)，其包括三维均匀网格模型动态显示模块、非线性曲面指数计算模块和几何模型生成模块，如图2所示，其中：

三维均匀网格模型动态显示模块，将GPU板卡中提供的均匀三维网格根据光照条件的 设置，通过几何顶点着色和片段颜色插值的方法，生成可着色的四边形缓冲数据，在显示 区窗口动态输出着色后的三维均匀网格模型；

非线性曲面指数计算模块，根据三维坐标数据存储单元中存储的三维坐标数据，计算 在三维空间中，到达三维点云中各个点上、下、左、右、前、后的六领域点距离，生成三次样条函数曲线，并计算每个点的非线性曲线指数，最后将M个非线性曲面指数传输给几何模型生成模块，其中M≥2；

几何模型生成模块，用于将非线性曲面指数计算模块中反馈的M个非线性曲线指数作 为输入，计算得到均匀的规则四边形模型网格，并保存成三维模型格式后输出给嵌入式 GPU动态渲染单元53。

参照图3，本发明基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置的三维图像生成方法， 其实现步骤如下：

步骤1，传动电机带动单像素飞时激光测距传感器进行双轴联动扫描。

利用嵌入式GPU板卡控制水平和垂直转动的两个步进电机按时序启动，带动单像素飞 时激光测距传感器向半球空间内进行激光扫描，即在GPU板卡中安装一体化激光雷达场景 仿真软件，对步进电机控制部分按先水平后垂直扫描的顺序分别启动传动电机。

步骤2，采集距离信息。

由嵌入式GPU底座发出指令控制单像素飞时激光测距发射和接收激光信号，对半球 空间信息进行完整采集，计算回波反射点到激光雷达的距离，以激光雷达所在点为球心， 自下而上将半球空间划分为M个三维点云，其中M≥2。

步骤3，计算三维点云坐标数据。

3a)根据极坐标到笛卡尔坐标系的转换关系对步骤2中采集到的距离信息进行计算， 得到一个基于右手坐标系的空间三维坐标，在计算过程中应对输入的数据按每三个数据为 一组分时随机分配，以充分利用数据传输带宽，提高三维坐标计算的效率；

3b)将3a)中计算得到的三维坐标数据以一维数组的形式存放于嵌入式GPU板卡的显存中，同时，利用GPU的异步传输技术，将显存中的三维点云数据传输到嵌入式GPU 板卡的内存中，在整个半球空间扫描完成后以一个二进制文件的形式保存到嵌入式GPU 板卡的固态硬盘中，此二进制文件包含了半球空间的点云数据信息。

步骤4，并行计算非线性曲面指数，生成均匀四边形网格。

本步骤的具体实现如下：

4a)在统一的世界坐标系下，将步骤3中半球空间点云数据中的所有点云向三个平面投影，如图4(a)所示，生成三组二维坐标列表；

4b)设定均匀网格的数目，在每组二维坐标列表中应用最小二乘拟合的方法，获得每个节点的非线性插值系数；

4c)在步骤4a)中的各自二维坐标空间中进行插值，分别生成三组均匀二维网格点；

4d)在三维空间中，计算到达步骤3中点云的各个点最近的6领域点：上、下、左、右、前、后；

4e)以6领域点的距离为参数，建立三次样条函数曲线，计算每个点的非线性曲线指数；

4f)剔除不在均匀网格中的点，生成均匀四边形网格，如图4(b)、4(c)、4(d) 所示。

步骤5，动态显示三维均匀网格模型。

参照图5，本步骤的具体实现如下：

5a)将(4)中的四边形网格输入到GPU的渲染管线；

5b)设计光照的强度，从0到1取值，设置光照的方向，指定一个三维位置，添加 一个虚拟的光源；

5c)设计每个几何顶点的着色方式，利用着色脚本进行并行赋值，通过虚拟光源的属性计算当前观察方向下每个顶点的颜色；

5d)利用GPU的片段程序对四边形网格内部进行颜色插值运算；

5e)在显示屏幕上动态输出着色后的三维均匀网格模型。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域 的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况 下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本 发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置，其特征在于，包括：

水平传动电机(1)，用于带动激光测距传感器底座(2)作水平轴向的运动；

激光测距传感器底座(2)，用于带动单像素飞时激光测距传感器(3)进行水平和垂直两个轴向的运动；

单像素飞时激光测距传感器(3)，固定在激光测距传感器底座(2)上，用于收集水平和垂直两个方向上空间的点云数据信息，将这些信息发送到嵌入式GPU底座(5)中；

垂直传动电机(4)，用于带动单像素飞时激光测距传感器(3)作垂直轴向的转动；

嵌入式GPU底座(5)，根据单像素飞时激光测距传感器(3)输入的空间点云数据信息，通过多线程并行处理方式完成对该点云数据的非线性曲面指数计算和均匀光滑曲面重建，并将重建好的三维光滑曲面模型进行动态成像显示。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于水平传动电机(1)中设有扫描步长控制单元(11)，用于通过接收来自嵌入式GPU底座的指令控制水平传动电机的传动杆(12)水平转动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于垂直传动电机(4)与水平传动电机(1)级联带动激光测距传感器底座(2)做水平和垂直两个轴向的转动，激光测距传感器(3)采集周围环境到自身的距离信息，并将距离信息构建成半球空间点云数据，最后通过接线将距离信息传入到嵌入式底座(5)中。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于嵌入式GPU底座(5)中设有：

供电与数据指令传输单元(51)，用于将水平传动电机(1)、垂直传动电机(4)和激光测距传感器(3)连接到嵌入式GPU底座，由嵌入式GPU板卡提供5V的供电电压；

嵌入式GPU板卡(52)，用于提供三维网格模型，接收来自激光测距传感器(3)的半球空间点云数据信息，提取其中的三维坐标数据并保存，并这些三维坐标数据被一体化激光雷达控制软件使用；

嵌入式GPU动态渲染单元(53)，用于将一体化激光雷达控制单元中的三维几何模型作为输入，对三维几何模型进行着色处理，动态地显示三维图像；

一体化激光雷达控制单元，用于生成三维模型，并把三维模型输出给GPU动态渲染单元(53)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于一体化激光雷达控制单元，包括：

三维均匀网格模型动态显示模块，用于将GPU板卡中提供的均匀三维网格根据光照条件的设置，生成可着色的四边形缓冲数据；

非线性曲面指数计算模块，根据三维坐标数据存储单元中存储的三维坐标数据，计算每个点的非线性曲面指数，最后将M个非线性曲面指数传输给几何模型生成模块；

几何模型生成模块，用于将非线性曲线指数作为输入，计算得到均匀的规则四边形模型网格，并保存成三维模型格式后输出给嵌入式GPU动态渲染单元(53)。

6.一种利用权利要求1所述装置进行成像的方法，包括：

1)利用嵌入式GPU底座控制水平和垂直转动的两个传动电机按顺序启动，进行激光扫描；

2)由嵌入式GPU底座发出指令控制激光测距传感器采集周围环境点的距离信息；

3)计算三维点云坐标数据：

3a)将2)中采集到的距离信息根据极坐标到笛卡尔坐标系的转换关系，计算得到一个基于右手坐标系的空间三维坐标，注意在计算过程中应对输入的数据每三个数据一组分时随机分配，充分利用数据传输带宽，提高三维坐标计算的效率；

3b)将3a)中计算得到的三维坐标数据以一维数组的形式存放于嵌入式GPU板卡的显存中，同时，利用GPU的异步传输技术，将显存中的三维点云数据传输到嵌入式GPU板卡的内存中，在整个半球空间扫描完成后以一个二进制文件的形式保存到嵌入式GPU板卡的固态硬盘中，此二进制文件包含了半球空间的点云数据信息；

4)并行计算非线性曲面指数，生成均匀四边形网络：

4a)在统一的世界坐标系下，将3)中半球空间的点云数据的所有点云向三个平面投影，生成三组二维坐标列表；

4b)设定均匀网格的数目，在每组二维坐标列表中应用最小二乘拟合的方法，获得每个节点的非线性插值系数；

4c)在4a)中的各自的二维坐标空间中进行插值，分别生成三组均匀二维网格点；

4d)在三维空间中，计算到达3)中点云的各个点最近的6领域点：上、下、左、右、前、后；

4e)以6领域点的距离为参数，建立三次样条函数曲线，计算每个点的非线性曲线指数；

4f)剔除不在均匀网格中的点，生成均匀四边形网格。

5)动态显示三维均匀网络模型：

5a)将4)中的四边形网格输入到GPU的渲染管线；

5b)通过设计光照的强度，范围从0到1取值，设置光照的方向，指定一个三维位置，添加一个虚拟的光源；

5c)设计每个几何顶点的着色方式，利用着色脚本进行并行赋值，通过虚拟光源的属性计算当前观察方向下每个顶点的颜色；

5d)利用GPU的片段程序对四边形网格内部进行颜色插值运算；

5e)在显示屏幕上动态输出着色后的三维均匀网格模型。