CN109215111A - 一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，包括以下步骤：步骤S1：通过无线通信模块将微控制器模块连接到激光测距模块和图片拍摄模块；步骤S2：通过所述图片拍摄模块获取每个数据采集点的至少一张图片；步骤S3：通过所述激光测距模块获取每个数据采集点的二维场景轮廓数据，并找出场景中可扩展延伸的点作为下一个数据采集点；步骤S4：通过图像识别算法对相邻两个数据采集点的二维场景轮廓数据进行裁剪和拼接，直至完成整个场景的重建。本发明既能采集场景的纹理又能采集场景的深度，同时包含二维和三维信息，并且能够快速方便地对多次采集的数据进行自动匹配和拼接，很好地还原原始场景。

Description

一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法

技术领域

本发明涉及一种三维建模方法，尤其涉及一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法。

背景技术

室内场景的建模是近年来得到快速发展和应用的一项技术，在虚拟现实、房屋装修、室内设计等领域都得到广泛的应用，现有的室内场景建模一般采用以下方案：

1、激光点云技术，是利用激光在同一空间参考系下获取物体表面每个采样点的空间坐标，得到的是一系列表达目标空间分布和目标表面特性的海量点的集合，这个点集合就称之为“点云”(Point Cloud)。点云的属性包括：空间分辨率，点位精度，表面法向量等。但是激光点云技术一方面需要用户额外采购体积庞大、价格昂贵、操作复杂的点云设备，另一方面会产生海量的数据不利于存储和处理，当需要拼接多组数据时，由于数据量巨大，花费时间会很长，效果不尽如人意。因此，点云技术虽然已出现多年但推广起来却困难重重。

2、在每个数据采集点拍摄多张照片，再将多张照片拼接起来。但这种方法只有二维信息，展示场景时用户的体验较差且应用场景受限，并且如果要处理多个拍摄点的数据，将无法对数据进行拼接，如果要重建复杂场景的话需要另外对场景进行测绘，不但费时费力而且效果也不好。

由上可见，目前还缺乏一种简单易用、成本较低但效果较好的方法来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，既能采集场景的纹理又能采集场景的深度，同时包含二维和三维信息，并且能够快速方便地对多次采集的数据进行自动匹配和拼接，很好地还原原始场景。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，包括以下步骤：步骤S11：通过无线通信模块将微控制器模块连接到激光测距模块和图片拍摄模块；步骤S12：通过所述图片拍摄模块获取每个数据采集点的至少一张图片；步骤S13：通过所述激光测距模块获取每个数据采集点的二维场景轮廓数据，并找出场景中可扩展延伸的点作为下一个数据采集点；步骤S14：通过图像识别算法对相邻两个数据采集点的二维场景轮廓数据进行裁剪和拼接，直至完成整个场景的重建。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述步骤S13包括以下步骤：用激光测距模块进行360度扫描，如果相邻两点之间的距离差值大于预设门限值，则判断此处为不连续的轮廓，并提示作为下一个数据采集点进行拍摄。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述步骤S13还包括：使用模式识别算法获取每个场景中的被遮挡的位置，并将遮挡位置的障碍物从所述场景轮廓数据中剔除；当所述激光测距模块扫描到光滑表面时，过滤获取到的场景轮廓数据。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述轮廓数据包括各个方向上的半径r，角度θ和信号强度A，所述轮廓数据以二进制文本形式存储；当相邻扫描点的信号强度下降幅度达到预设阈值，或者轮廓数据变换到频域上对应为高频信号，则判断当前扫描部分为光滑表面。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述步骤S14中采用slam算法进行如下拼接：获取两个具有相互可见的相同采集点的二维场景轮廓数据，固定其中一个采集点的二维场景轮廓数据，并在平面上移动另一个采集点的二维场景轮廓数据，直至两者的重合部分相似度最大。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述步骤S13中激光测距模块包括激光测距探头和微控制器模块；所述激光测距探头和图片拍摄模块均与旋转电机相连实现同步转动，所述微控制器模块的输入端和磁码盘相连读取激光测距仪旋转时的角度，所述微控制器模块的电源端和供电电池相连，所述微控制器模块的通讯端通过无线模块和图片拍摄模块相连发送拍照指令。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述图片拍摄模块包括全景相机、普通相机或手机。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述供电电池、磁码盘、旋转电机、微控制器模块和无线通信模块安装在设备底座上，所述设备底座通过中空旋转轴和上部相机底座相连，所述图片拍摄模块安装在上部相机底座上，所述激光测距探头安装在中空旋转轴上对水平方向进行360度旋转扫描。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述微控制器模块的输出端和用户界面模块相连，所述用户界面模块包括所述激光测距仪电量显示单元、相机电量显示单元、相机预览单元以及场景轮廓显示单元。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述步骤S14通过图像识别算法对数据采集点的场景轮廓数据进行裁剪和拼接之前，先判断是否是第一组数据，若不是第一组数据，则将所述场景轮廓数据与已有数据进行拼接，若是第一组数据，则判断是否继续采集数据，若判断是继续采集数据，则继续获取下一二维场景轮廓数据进行拼接，然后使用二维场景轮廓结合室内固定层高建立室内的三维场景。

上述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其中，所述步骤S14还包括根据室内三维场景生成房型图。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提出的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，既能采集场景的纹理又能采集场景的深度，同时包含二维和三维信息，并且能够自动对多次采集的数据自动进行匹配和拼接，处理大量的数据，且生成的数据既能很好地还原原始场景，又便于存储和传输。此外，本发明还可通过将遮挡位置的在障碍物从所述场景轮廓数据中剔除，可以校正原始获得的数据，并对扫描到的光滑表面的场景轮廓数据进行过滤修正。

附图说明

图1是本发明的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法的流程图；

图2是本发明实施例中的激光测距仪的示意图；

图3是本发明实施例中的激光测距仪模块的示意图；

图4是本发明实施例中的激光测距仪的用户界面模块的示意图；

图5是本发明实施例中的一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法的流程图；

图6是本发明实施例中的一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法的使用示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明的基于激光测距仪的室内场景三维建模原理图。如图1所示，本发明提供的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，包括以下步骤：步骤S11：通过无线通信模块将微控制器模块连接到激光测距模块和图片拍摄模块；步骤S12：通过所述图片拍摄模块获取每个数据采集点的至少一张图片；步骤S13：通过所述激光测距模块获取每个数据采集点的二维场景轮廓数据，并找出场景中可扩展延伸的点作为下一个数据采集点；步骤S14：通过图像识别算法对相邻两个数据采集点的二维场景轮廓数据进行裁剪和拼接，直至完成整个场景的重建。

具体地，所述步骤S13包括以下步骤：用激光测距模块进行360度扫描，如果相邻两点之间的距离差值大于预设门限值，则判断此处为不连续的轮廓，并提示作为下一个数据采集点进行拍摄。

具体地，所述步骤S13还包括：使用模式识别算法获取每个场景中的被遮挡的位置，并将遮挡位置的障碍物从所述场景轮廓数据中剔除；当所述激光测距模块扫描到光滑表面时，过滤获取到的场景轮廓数据。微控制器模块33对轮廓/照片进行处理，利用模式识别算法在场景中智能搜寻被遮挡或者可扩展的位置，提示用户到被遮挡的位置采集数据，完善模型。例如，如相邻很近两个角度的轮廓距离变化较大则提示有被遮挡部分，如在数据中发现有门等则可提示用户到门的另外一侧采集数据。用户也可以在场景中手工添加新的数据采集点。

本应用针对的是室内场景，对大部分室内场景来说，层高是固定的，也即整个场景在垂直方向上的上下两个点距离是固定的，所以如果在垂直方向上做扫描得到的信息大部分都是冗余的，本应用使用2D的场景轮廓+固定层高完成对3D场景的重建。其中，场景轮廓数据包括：各个方向上的半径r，角度θ和信号强度A，所述轮廓数据以二进制文本形式存储；当相邻扫描点的信号强度下降幅度达到预设阈值，或者轮廓数据变换到频域上对应为高频信号，则判断当前扫描部分为光滑表面。当所述测距模块扫描到光滑表面时，即信号强度突然减弱时，过滤获取到的场景轮廓数据。具体地，针对室内场景的特点，在对镜子，玻璃等光滑表面的处理时，现有技术中在遇到镜子、玻璃等物体时，会发生反射，透射，造成读数不准，甚至完全无法工作，本发明中通过多种方式对场景中的光滑表面进行了筛选过滤：当测距模块扫描到玻璃或镜子等表面时，信号强度会突然减弱，如果以角度为横轴，信号强度为纵轴，表现为强度的突然下降；当遇到光滑表面时，由于激光测距仪无法正常工作，若以角度为横轴，距离读数为纵轴，则表现为一段距离剧烈跳动的区域；若将所测到的数据变换到频域上，玻璃、镜子等部分对应的为高频信号，而普通的墙面，家具等对应的为低频信号。因此，本方法可对场景中的镜子，玻璃等表面进行智能识别，从而去除整个房间轮廓中不准确的部分。

在具体实施中，所述步骤S14中采用slam算法进行如下拼接：获取两个具有相互可见的相同采集点的二维场景轮廓数据，固定其中一个采集点的二维场景轮廓数据，并在平面上移动另一个采集点的二维场景轮廓数据，直至两者的重合部分相似度最大。假设用户采集了A(X1,Y1)，B(X2,Y2)两个点的数据O1，O2，同时在场景中A，B两个点相互可见，但两者的相对位置A-B未知；固定O1，在平面上移动O2，可以找到一个点B’，使得O1和O2的重合部分相似度最大，则B’即为B相对A的位置，O1∪O2即为两个点加起来点轮廓；利用这个方法，可以不断的把新的拍摄点数据加入到场景中，直到完成整个场景的重建。同点云数据的拼接或者普通图片的拼接不同，本方法拼接是利用两个扫描点的二维轮廓，数据量和计算量都较小，可以在手持设备上即时完成。

微控制器模块33可以对拼接后的数据进行智能处理，不仅可以得到场景的三维模型，更可对模型进行修正，进一步得到房间内的三维模型，从而根据室内三维场景生成房型图，可以满足更多的应用场景。例如，软件在场景识别到室内植物等障碍物，可以根据两侧墙面的轮廓将其从房间的轮廓中剔除；根据用户设定或建筑设计规范对拼接后的数据进行校正，例如用户同时扫描了左右两个房间则两个房间的轮廓之间的距离应基本符合常见的几种墙面厚度，例如半砖墙、一砖墙等。用户也可以在自动处理的基础上进行微调。用户也可以在自动处理的结果上进行微调，系统会记录用户的修改，利用机器学习算法，对以后的识别做出修正。

图2是本发明实施例中的激光测距仪的示意图。现在参看图2，所述供电电池24、磁码盘、旋转电机23、微控制器模块和无线通信模块安装在设备底座25上，所述设备底座25通过中空旋转轴和上部相机底座21相连，所述图片拍摄模块安装在上部相机底座21上，所述激光测距探头22安装在中空旋转轴上对水平方向进行360度旋转扫描。所述激光测距仪的中部位于底座25上方，与下方的电机23通过齿轮、皮带等连接，工作时由电机23带动旋转，中部为中空的。上部相机底座21，其位于测距部分的上方，通过测距部分中空的部位与下方底座相连，在该底座上可以安装全景相机、普通相机、手机等视频采集设备。如果使用全景相机，则该部分与底座固定，如果使用普通相机或手机，则底座上的电机23可带动其旋转，也可以根据刻度手工旋转。

图3是本发明实施例中的激光测距仪模块的示意图。现在参看图3，激光测距模块包括激光测距探头和微控制器模块；所述激光测距探头和图片拍摄模块均与旋转电机相连实现同步转动，所述微控制器模块的输入端和磁码盘相连读取激光测距仪旋转时的角度，所述微控制器模块的电源端和供电电池相连，所述微控制器模块的通讯端通过无线模块和图片拍摄模块相连发送拍照指令。

所述激光测距模块31包括：供电电池311，其用于给所述激光测距仪供电；磁码盘312，其用于读取所述激光测距仪旋转时的角度；旋转电机313，其用于带动测距设备旋转；激光测距探头314，其用于在所述激光测距仪旋转时对场景内不同的方向进行扫描测局；单片机模块315，其用于控制所述激光测距仪；无线模块316，其用于提供蓝牙、Wi-Fi或NFC。所述微控制器模块33和所述激光测距模块31耦接，所述微控制器模块33和所述图片拍摄模块32耦接。其中，所述图片拍摄模块32包括全景相机、普通相机或手机。具体地，图片拍摄模块32可以使用专门设计的全景相机、带鱼眼镜头的普通相机、带鱼眼镜头的手机以及其它可以拍摄全景图的视频采集设备。图片拍摄模块32可采用支持无线控制和传输的设备，从而实现自动控制，也可以采用手动拍摄的方式，将图片手动导入。

上述激光测距仪具有以下优点：核心的扫描模块只需要一个激光测距探头，一个磁码盘，一个普通的电机：使用单个激光测距探头与旋转电机结合，只需要一个激光测距头即可完成水平方向360度的测距；使用磁码盘与普通电机，可以精确地读取设备的朝向，没有累积误差，设备结构也非常简单；只在水平方向上做360度旋转扫描，不做垂直方向的扫描，因此，该设备的成本低廉，扫描速度也大大提高。

图4是本发明实施例中的激光测距仪的用户界面模块的示意图。现在参看图4，所述激光测距仪还包括用户界面模块41，所述用户界面模块41包括所述激光测距仪电量显示单元411、相机电量显示单元412、相机预览单元413以及场景轮廓显示单元414。

在具体实施中，用户通过手机或平板电脑等无线设备来控制所述图片拍摄模块32和所述微控制器模块33。首先通过无线模块316连接所述图片拍摄模块32和所述微控制器模块33，然后用户通过所述用户界面模块41向激光测距仪发出指令，所述指令例如可以是采用手工拍照的方式，照片需要随后手工导入。激光测距仪接收到指令后，启动旋转电机313，带动激光测距探头314旋转，从而对各个方向进行测距，并将角度，距离等数据上送至微控制器模块33。如过采用支持无线功能的图片拍摄模块32，图片拍摄模块32则同时对各个方向拍照，并将照片传送至微控制器模块33。微控制器模块33收到完整的室内轮廓后，由于室内场景一般高度固定，故可根据二维的轮廓建立三维模型，同时根据图像采集设备的数据，与三维模型结合，还原室内场景，并展示给用户。每个数据采集点采集到的原始数据为一个二维的场景轮廓和一张至数张照片，轮廓数据为从扫描设备收到的各个方向上的半径r，角度θ和信号强度A的数组，可以以二进制或文本的形式存储，同仅拍摄照片的方式相比，仅增加了一个二维的轮廓文件，数据所需要的存储空间大大小于使用点云的方式。

现有技术中，如果是只采集照片，则很难对不同的采集点的数据进行拼接，只能事先对场景进行手工测绘得到平面图，然后在平面图上将每个采集点标出，用户只能在几个采样点之间切换；如果是使用点云等技术同时收集三维信息的，为了能够将两组数据拼接起来，往往要求用户在采集数据时只能移动很小的一段距离，需要花费大量时间采集且产生大量冗余数据，同时由于每次只能移动较小的一段距离，用户使用起来困难：如果每次移动的距离太远则找不到足够的匹配点而匹配失败不得不重新扫描；如果每次移动距离太近则会产生过多冗余数据且浪费时间。和现有技术相比，本发明提供的一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法具有以下优点：通过对已有数据的分析，找出场景可以继续延伸的点，并在已生成的3D场景中标记出来，提示用户选择一个可延伸的点再次进行数据采集；用户每次可以移动的距离较大，可以用较少的数据完成对场景的重建，虽然用户不能精确移动到系统提示的拍摄点，但用户按提示拍摄，可以大大缩小拼接匹配时的搜索空间，也不容易漏拍，从而可以完整的还原真实场景。

图5是本发明实施例中的一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法的流程图。现在参看图5，本发明提供的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，具体实现步骤如下：S51通过无线通信模块将微控制器模块连接到激光测距模块和图片拍摄模块；S52通过所述图片拍摄模块获取每个数据采集点的至少一张图片；S53通过所述激光测距模块获取每个数据采集点的场景轮廓数据，所述轮廓数据包括各个方向上的半径r，角度θ和信号强度A，所述轮廓数据以二进制文本形式存储；S54判断是否是第一组数据，若不是第一组数据，则进行步骤S55将所述场景轮廓数据与已有数据进行拼接，若是第一组数据，则进行步骤S56判断是否继续采集数据，若判断是继续采集数据，则继续获取所述场景轮廓数据，若判断不继续采集数据，则进入步骤S57继续获取下一二维场景轮廓数据进行拼接，然后使用二维场景轮廓结合室内固定层高建立室内的三维场景。

图6是本发明实施例中的一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法的使用示意图。现在参看图6，实线为墙体，空出的缺口为房间门，首先将扫描设备放在图中的扫描点做360度扫描，扫描设备发出的激光先后扫过点A和点B，得到距离Ra和Rb。由于这里有一扇门，所以Ra-Rb的绝对值远大于其他相邻点的差值，也高于预设的门限值。系统据此判断这里有不连续的轮廓，说明有场景被遮挡，系统提示用户移动到A，B之间进行拍摄。

综上所述，本发明提出的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，既能采集场景的纹理又能采集场景的深度，同时包含二维和三维信息，并且能够自动对多次采集的数据自动进行匹配和拼接，处理大量的数据，且生成的数据既能很好地还原原始场景，又便于存储和传输。此外，本发明还可通过将遮挡位置的在障碍物从所述场景轮廓数据中剔除，可以校正原始获得的数据，并对扫描到的光滑表面的场景轮廓数据进行过滤修正。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (11)

1.一种基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S11：通过无线通信模块将微控制器模块连接到激光测距模块和图片拍摄模块；

步骤S12：通过所述图片拍摄模块获取每个数据采集点的至少一张图片；

步骤S13：通过所述激光测距模块获取每个数据采集点的二维场景轮廓数据，并找出场景中可扩展延伸的点作为下一个数据采集点；

步骤S14：通过图像识别算法对相邻两个数据采集点的二维场景轮廓数据进行裁剪和拼接，直至完成整个场景的重建。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述步骤S13包括以下步骤：

用激光测距模块进行360度扫描，如果相邻两点之间的距离差值大于预设门限值，则判断此处为不连续的轮廓，并提示作为下一个数据采集点进行拍摄。

3.根据权利要求1所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述步骤S13还包括：使用模式识别算法获取每个场景中的被遮挡的位置，并将遮挡位置的障碍物从所述场景轮廓数据中剔除；当所述激光测距模块扫描到光滑表面时，过滤获取到的场景轮廓数据。

4.根据权利要求3所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述轮廓数据包括各个方向上的半径r，角度θ和信号强度A，所述轮廓数据以二进制文本形式存储；当相邻扫描点的信号强度下降幅度达到预设阈值，或者轮廓数据变换到频域上对应为高频信号，则判断当前扫描部分为光滑表面。

5.根据权利要求1所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述步骤S14中采用slam算法进行如下拼接：获取两个具有相互可见的相同采集点的二维场景轮廓数据，固定其中一个采集点的二维场景轮廓数据，并在平面上移动另一个采集点的二维场景轮廓数据，直至两者的重合部分相似度最大。

6.根据权利要求1所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述步骤S13中激光测距模块包括激光测距探头和微控制器模块；所述激光测距探头和图片拍摄模块均与旋转电机相连实现同步转动，所述微控制器模块的输入端和磁码盘相连读取激光测距仪旋转时的角度，所述微控制器模块的电源端和供电电池相连，所述微控制器模块的通讯端通过无线模块和图片拍摄模块相连发送拍照指令。

7.根据权利要求6所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述图片拍摄模块包括全景相机、普通相机或手机。

8.根据权利要求7所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述供电电池、磁码盘、旋转电机、微控制器模块和无线通信模块安装在设备底座上，所述设备底座通过中空旋转轴和上部相机底座相连，所述图片拍摄模块安装在上部相机底座上，所述激光测距探头安装在中空旋转轴上对水平方向进行360度旋转扫描。

9.根据权利要求6所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述微控制器模块的输出端和用户界面模块相连，所述用户界面模块包括所述激光测距仪电量显示单元、相机电量显示单元、相机预览单元以及场景轮廓显示单元。

10.根据权利要求1所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述步骤S14通过图像识别算法对数据采集点的二维场景轮廓数据进行裁剪和拼接之前，先判断是否是第一组数据，若不是第一组数据，则将所述场景轮廓数据与已有数据进行拼接，若是第一组数据，则判断是否继续采集数据，若判断是继续采集数据，则继续获取下一二维场景轮廓数据进行拼接，然后使用二维场景轮廓结合室内固定层高建立室内的三维场景。

11.根据权利要求1所述的基于激光测距仪的室内场景三维建模方法，其特征在于，所述步骤S14还包括根据室内三维场景生成房型图。