CN108692656B - 一种激光扫描数据获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光扫描数据获取方法及装置，属于激光扫描技术领域。本发明在激光扫描仪和待拍摄物体之间设置平面反射镜安装，调整平面反射镜的位置与角度，使激光扫描仪发射的激光通过平面反射镜达到待拍摄物体的遮挡区域，按照光路可逆的原理，到达目标的平面镜反射激光按原路线返回，经镜面最终到达激光扫描仪，从而激光扫描仪可通过平面反射镜获取到测量对象的数据，根据成像原理可知，激光扫描仪获取的目标数据正好是测量对象在平面反射镜中的像。本发明利用平面反射镜进行辅助测量，能够完成目标某些“死角”的测量，大大提高点云的完整性；同时由于采用平面镜辅助，可在一站测得更多的点云，能大大提高测量效率。

Description

一种激光扫描数据获取方法及装置

技术领域

本发明涉及一种激光扫描数据获取方法及装置，属于激光扫描技术领域。

背景技术

激光扫描是近年来兴起并逐步成熟的一种新的数据获取技术，激光扫描仪通过主动发射脉冲或者连续的激光进行测距，同时记录出射光线的水平角与垂直角，进而得到激光脚点，具有主动性的优点。激光扫描仪采用2个或者1个扫描经改变光路，由于扫描镜振动或者转动的速度很快，测量速度得到巨大的提升。随着激光扫描技术的发展，典型的扫描速度已经从早期的30-100点/秒发展到3000-5000点/秒，而且速度还会不断提高，具有扫描速度快的优点。传统的测量设备(如全站仪等)点点获取时间较长，要获得密集的采样点需要耗费难以忍受的时间，高速扫描意味着可以获取更密集的采样点，角度分辨率可达到0.0005度，即10米处点间距为1mm，具有采样率高的优点；激光扫描仪采用无合作目标测距，无需合作标志，测量时无需照准，具有自动化程度高的优点。上述优点使得激光扫描仪成为一种数据获取的利器，特别是在具有复杂表面的测量中得到较好的应用，例如数模检测比对、文物数字化、考古发掘、钢结构安装和变形测量、建筑物信息模型(BIM)制作、3D打印逆向建模、工厂管线建模、非规则对象的容/体积计量等等。另外，激光扫描还在有一些非传统测绘领域取得良好的应用，例如生物学中的植被建模用于生长研究；医学中用于器官、躯体等的建模，进而通过3D打印提供更舒适的石膏模型、假肢等。

由于视觉的遮挡以及环境条件的限制，在实验以及具体的工程项目中，获取的点云总是或多或少存在一些孔洞，如图1所示，而目前消除或减小孔洞的方式是通过多站测量，从不同的位置和姿态进行数据的获取，该类方法的核心问题是实现多站拼接。1992besl等人提出的ICP就可以用来直接拼接不同测站的点云数据，包括后来的大量的改进算法等；还可以基于人工标志的拼接、基于点云特征以及基于图像的拼接。上述方法从一定程度上消除或减小了孔洞，但问题是大大增加了外业工作量和内业数据处理的难度。另一种方式是通过一定的算法来修补数据中的孔洞，根据采用原理的不同，可将现有的孔洞修补算法分为图像补全方法、三维模型补全和点云补全法，孔洞修补算法适合孔洞较小或者遮挡区域表面特征简单的情形，而在孔洞较大或者遮挡处表面变化复杂的情况下，修补算法效果不好甚至出现错误。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光扫描数据获取方法，以解决视线遮挡造成的数据不完整的问题；本发明还提供了一种激光扫描数据获取装置。

本发明为解决上述技术问题而提供一种激光扫描数据获取方法，该方法包括以下步骤：

1)将平面反射镜安装在激光扫描仪和待拍摄物体之间，调整平面反射镜的位置与角度，使激光扫描仪发射的激光通过平面反射镜达到待拍摄物体的遮挡区域；

2)获取激光扫描仪经平面反射镜拍摄到的待拍摄物体的点云数据，该点云数据为对应的像方点数据；

3)利用镜像原理，根据平面反射镜所在平面方程将像方点数据坐标转换到相应的物方点坐标，该坐标即为待拍摄物体坐标。

进一步地，所述平面反射镜所在的平面方程获取过程如下：

A.在平面反射镜的至少三个角点处设置标识贴，通过三维激光扫描仪获取各标识贴的点云数据；

B.建立平面反射镜的平面方程，根据点到平面距离最小原则，利用获取的各标识贴的点云数据求解平面方程。

进一步地，所述步骤2)中的像方点数据为点的水平角和垂直角落在各标识贴点云数据确定的角度窗口内，且点不在平面反射镜的镜面上。

进一步地，所述的物方点坐标转换所采用的公式如下：

其中(x_i′,y_i′,z_i′)为像方点P_i′的坐标，(x_i,y_i,z_i)为像方点P_i′对应的物方点P_i的坐标，(x_0i,y_0i,z_0i)为直线P_iP_i′与平面镜所在平面的交点。

进一步地，所述的直线P_iP_i′与平面镜所在平面的交点坐标是通过求解下式得到，

其中a、b、c和d均是反射镜所在平面方程的系数，且ax+by+cz＝d。

本发明还提供了一种激光扫描数据获取装置，该获取装置包括激光扫描仪和平面反射镜，所述平面反射镜安装在激光扫描仪和待拍摄物体之间，调整平面反射镜的位置与角度，能够使激光扫描仪发射的激光通过平面反射镜达到待拍摄物体的遮挡区域；

所述激光扫描仪用于获取经平面反射镜拍摄到的待拍摄物体的点云数据，该点云数据为对应的像方点数据；利用镜像原理，根据平面反射镜所在平面方程将像方点数据坐标转换到相应的物方点坐标，该坐标即为待拍摄物体坐标。

进一步地，所述平面反射镜所在的平面方程获取过程如下：

A.在平面反射镜的至少三个角点处设置标识贴，通过三维激光扫描仪获取各标识贴的点云数据；

B.建立平面反射镜的平面方程，根据点到平面距离最小原则，利用获取的各标识贴的点云数据求解平面方程。

进一步地，所述的像方点数据为点的水平角和垂直角落在各标识贴点云数据确定的角度窗口内，且点不在平面反射镜的镜面上。

进一步地，所述的物方点坐标转换所采用的公式如下：

其中(x_i′,y_i′,z_i′)为像方点P_i′的坐标，(x_i,y_i,z_i)为像方点P_i′对应的物方点P_i的坐标，(x_0i,y_0i,z_0i)为直线P_iP_i′与平面镜所在平面的交点。

进一步地，所述的直线P_iP_i′与平面镜所在平面的交点坐标是通过求解下式得到，

其中a、b、c和d均是反射镜所在平面方程的系数，且ax+by+cz＝d。

本发明的有益效果是:本发明在激光扫描仪和待拍摄物体之间设置平面反射镜安装，调整平面反射镜的位置与角度，使激光扫描仪发射的激光通过平面反射镜达到待拍摄物体的遮挡区域，按照光路可逆的原理，到达目标的平面镜反射激光按原路线返回，经镜面最终到达激光扫描仪，从而激光扫描仪可通过平面反射镜获取到测量对象的数据，根据成像原理可知，激光扫描仪获取的目标数据正好是测量对象在平面反射镜中的像。本发明利用平面反射镜进行辅助测量，能够完成目标某些“死角”的测量，大大提高点云的完整性；同时由于采用平面镜辅助，可在一站测得更多的点云，能大大提高测量效率。

附图说明

图1是现有技术中不完整点云数据实例图；

图2是采用平面反射镜进行三维扫描的结构示意图；

图3是本发明采用平面反射镜进行三维扫描的原理示意图；

图4是粘贴有人工标志的平面反射镜；

图5是平面反射镜所在平面方程确定原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明一种激光扫描数据获取方法的实施例

本发明针对目前激光扫描过程中由于受其他物体视线遮挡或者受空间的限制激光难以到达，扫描数据不完整的问题，本发明提出了一种利用平面反射镜作为辅助的点云获取方法，以解决遮挡区域以及难以测量区域的数据获取问题。在实际扫描中，如图2所示，激光扫描仪发射的激光到达镜面时发生反射，如果镜面位置合适，反射激光可达到测量目标的表面，按照光路可逆的原理，到达目标的平面反射镜激光按原路线返回，经镜面最终到达激光扫描仪。

本发明首先将平面反射镜安装在激光扫描仪和待拍摄物体之间，调整平面反射镜的位置与角度，使激光扫描仪发射的激光通过平面反射镜达到待拍摄物体的遮挡区域；然后获取激光扫描仪经平面反射镜拍摄到的待拍摄物体的点云数据，该点云数据为对应的像方点数据；最后利用镜像原理，根据平面反射镜所在平面方程将像方点数据坐标转换到相应的物方点坐标，该坐标即为待拍摄物体坐标。该方法的原理如图3所示，具体实施步骤如下。

1.将反射镜安装在激光扫描仪和待拍摄物体之间，调整反射镜的位置与角度，使激光扫描仪发射的激光通过反射镜达到遮挡区域。

安置激光扫描仪，调整平面反射镜的位置与角度，使得激光扫描仪发射的激光能够通过平面反射镜到达遮挡区域，并获取包括平面镜在内的场景点云数据。

2.提取平面反射镜的标志点和像方点云数据。

与全站仪、GPS等常规测量设备不同，三维激光扫描仪不仅能记录目标点的空间几何信息，还能记录能反映目标材料、质地等属性信息—回光强度。回光强度具有在拼接、按表面材料分类等复杂应用中发挥重要作用的潜力，回光强度与待测距离、反射率、传播路径、入射角以及激光扫描发射与接收单元的具体设计有关，可用于标志的识别与提取。

本实施例以矩形平面反射镜为例进行详细说明，将标志贴2于矩形平面反射镜1的四个角点处，如图4所示，将标志中心确定的范围作为边界条件，确定标志点的坐标，利用三维点坐标构成空间直线计算复杂，且后续点的判别也执行困难，因此本发明将点坐标求解为空间极坐标，S表示距离，α表示水平角，θ表示垂直角，则：

四个边界点的两个角度可确定一个窗口，四个边界点分别表示为P₁(α₁,θ₁)、P₂(α₂,θ₂)、P₃(α₃,θ₃)和P₄(α₄,θ₄)，相邻两点确定一条直线，如图5所示，得到的四条边的直线方程分别为：

由上述4条直线方程确定像方点的范围，遍历某一测站扫描得到的点云，若一点为像方点需要满足两个条件：

(1)点的水平角和垂直角落在上述四条直线确定的角度窗口内；

(2)点不在镜面上(排除标志点)。

3.确定平面反射镜的平面方程。

根据识别的标志点确定镜面的平面方程，方式有两种，一种是利用标志中心拟合平面，一种是利用识别的标志点云拟合的平面方程。

三维空间下的平面方程为：

ax+by+cz＝d

其中a、b和c为单位法向量，即a²+b²+c²＝1，若通过扫描得到镜面上标志点的点云坐标为{(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,3,…,n}，计算点到平面的距离为d_i＝|ax_i+by_i+cz_i-d|，根据最小二乘法进行最佳平面拟合，即：

根据拉格朗日乘数法构造函数：

其中a²+b²+c²＝1。

根据特征值原理，求解上述函数f，即可得到平面方程的解，从而确定平面方程。

4.利用平面镜反射原理，根据得到的反射镜面的平面方程，将反射点云坐标转换为相应的物方点坐标。

设得到的平面方程为ax+by+cz＝d，对于任一像方点P_i′(x_i′,y_i′,z_i′)，其对应的物方点为P_i(x_i,y_i,z_i)，则连接P_i与P_i′形成直线P_iP_i′与平面垂直，直线P_iP_i′的方程为：

其中直线P_iP_i′与平面的交点P_0i(x_0i,y_0i,z_0i)为：

改写为矩阵形式为：

UX₀＝WX′+L

其中

若U可逆，则有：

X₀＝U^-1(WX′+L)

通过上式可方便求出平面反射镜面反射的点云在平面上的投影点的坐标，由镜面对称性可知，转换后的物方点云坐标P_i(x_i,y_i,z_i)为：

转换后的物方点云坐标P_i(x_i,y_i,z_i)即为待测物体的点云坐标，因此，通过上述过程可知，本发明能够完成目标某些“死角”的测量，大大提高点云的完整性，同时由于采用平面镜辅助，可在一站测得更多的点云，能大大提高测量效率。

本发明的一种激光扫描数据获取装置的实施例

本实施例中的获取装置包括激光扫描仪和平面反射镜，平面反射镜安装在激光扫描仪和待拍摄物体之间，调整平面反射镜的位置与角度，能够使激光扫描仪发射的激光通过平面反射镜达到待拍摄物体的遮挡区域；激光扫描仪用于获取经平面反射镜拍摄到的待拍摄物体的点云数据，该点云数据为对应的像方点数据；利用镜像原理，根据平面反射镜所在平面方程将像方点数据坐标转换到相应的物方点坐标，该坐标即为待拍摄物体坐标。该装置的具体工作过程已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

Claims (8)

1.一种激光扫描数据获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将平面反射镜安装在激光扫描仪和待拍摄物体之间，调整平面反射镜的位置与角度，使激光扫描仪发射的激光通过平面反射镜达到待拍摄物体的遮挡区域；

2)获取激光扫描仪经平面反射镜拍摄到的待拍摄物体的点云数据，该点云数据为对应的像方点数据；

3)利用镜像原理，根据平面反射镜所在平面方程将像方点数据坐标转换到相应的物方点坐标，该坐标即为待拍摄物体坐标；

所述平面反射镜所在的平面方程获取过程如下：

A.在平面反射镜的至少三个角点处设置标识贴，通过三维激光扫描仪获取各标识贴的点云数据；

B.建立平面反射镜的平面方程，根据点到平面距离最小原则，利用获取的各标识贴的点云数据求解平面方程。

2.根据权利要求1所述的激光扫描数据获取方法，其特征在于，所述步骤2)中的像方点数据为点的水平角和垂直角落在各标识贴点云数据确定的角度窗口内，且点不在平面反射镜的镜面上。

3.根据权利要求1所述的激光扫描数据获取方法，其特征在于，所述的物方点坐标转换所采用的公式如下：

其中(x_i′,y_i′,z_i′)为像方点P_i′的坐标，(x_i,y_i,z_i)为像方点P_i′对应的物方点P_i的坐标，(x_0i,y_0i,z_0i)为直线P_iP_i′与平面镜所在平面的交点。

4.根据权利要求3所述的激光扫描数据获取方法，其特征在于，所述的直线P_iP_i′与平面镜所在平面的交点坐标是通过求解下式得到，

其中a、b、c和d均是反射镜所在平面方程的系数，且ax+by+cz＝d。

5.一种激光扫描数据获取装置，其特征在于，该获取装置包括激光扫描仪和平面反射镜，所述平面反射镜安装在激光扫描仪和待拍摄物体之间，调整平面反射镜的位置与角度，能够使激光扫描仪发射的激光通过平面反射镜达到待拍摄物体的遮挡区域；

所述激光扫描仪用于获取经平面反射镜拍摄到的待拍摄物体的点云数据，该点云数据为对应的像方点数据；利用镜像原理，根据平面反射镜所在平面方程将像方点数据坐标转换到相应的物方点坐标，该坐标即为待拍摄物体坐标；

所述平面反射镜所在的平面方程获取过程如下：

A.在平面反射镜的至少三个角点处设置标识贴，通过三维激光扫描仪获取各标识贴的点云数据；

B.建立平面反射镜的平面方程，根据点到平面距离最小原则，利用获取的各标识贴的点云数据求解平面方程。

6.根据权利要求5所述的激光扫描数据获取装置，其特征在于，所述的像方点数据为点的水平角和垂直角落在各标识贴点云数据确定的角度窗口内，且点不在平面反射镜的镜面上。

7.根据权利要求6所述的激光扫描数据获取装置，其特征在于，所述的物方点坐标转换所采用的公式如下：

其中(x_i′,y_i′,z_i′)为像方点P_i′的坐标，(x_i,y_i,z_i)为像方点P_i′对应的物方点P_i的坐标，(x_0i,y_0i,z_0i)为直线P_iP_i′与平面镜所在平面的交点。

8.根据权利要求7所述的激光扫描数据获取装置，其特征在于，所述的直线P_iP_i′与平面镜所在平面的交点坐标是通过求解下式得到，

其中a、b、c和d均是反射镜所在平面方程的系数，且ax+by+cz＝d。

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