CN111024053A - 一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测绘技术领域，公开了一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，将凸球面镜放置在作业空间的死角处，通过三维激光扫描仪对物体进行扫描，获得激光点云扫描数据，将激光点云扫描数据分离为直视表面区域点云、镜面定位圈区域点云、镜面反射区域点云，根据镜面定位圈区域点云获得旋转矩阵，根据旋转矩阵、镜面反射区域点云，解算凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点点云坐标；将直视表面区域点云与凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点点云坐标进行配准合成，得到物体的完整点云。本发明解决了现有技术中扫描对象非直视区域出现点云数据缺失和空洞的问题，能够得到物体的完整点云。

Description

一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，尤其涉及一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法。

背景技术

由于国家对文化遗产保护的重视，越来越多的高新技术投入其中，包括利用激光扫描技术进行三维重建工作。激光扫描技术是高精度三维重建的重要手段,能够获取精度优于2mm的对象表面密集点云,在精密测量、虚拟地理环境、文物保护及虚拟现实等方面应用广泛。扫描对象的完整性是高精度三维重建的基本要求,为了保证对象数据尽可能完整,目前常用方法是:多站扫描和多种扫描仪联合扫描。然而对结构复杂且不可移动的对象如石窟寺、古建筑、雕塑等进行扫描时,往往因为作业空间受限、遮挡严重等问题造成扫描死角,在扫描对象非直视区域出现点云数据缺失和空洞等问题。

发明内容

本申请实施例通过提供一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，解决了现有技术中由于作业空间受限、遮挡严重等问题造成扫描死角进而使扫描对象非直视区域出现点云数据缺失和空洞的问题。

本申请实施例提供一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，包括以下步骤：

S1、将凸球面镜放置在作业空间的死角处；

S2、将三维激光扫描仪放置在与凸球面镜保持通视的位置，通过三维激光扫描仪对物体进行扫描，获得激光点云扫描数据；

S3、将所述激光点云扫描数据分离为直视表面区域点云、镜面定位圈区域点云、镜面反射区域点云；

S4、根据所述镜面定位圈区域点云，解算凸球面镜的镜面位置与姿态，获得旋转矩阵；

S5、根据所述旋转矩阵、所述镜面反射区域点云，解算凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点点云坐标；

S6、将所述直视表面区域点云与解算得到的所述凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点点云坐标进行配准合成，得到物体的完整点云。

优选的，所述步骤S1中，将凸球面镜固定在一个可多角度旋转移动的支架上。

优选的，所述步骤S2中，通过三维激光扫描仪对物体进行扫描时，调整凸球面镜的角度进行多次扫描。

优选的，所述步骤S4中，通过所述镜面定位圈区域点云解算出旋转矩阵，通过旋转平移使镜面的最大圆平面与三维激光扫描仪的坐标系平面平行。

优选的，所述步骤S5具体为：

建立凸球面镜反射激光点云中激光像点与原点的空间直线方程；

联立凸球面镜反射激光点云中激光像点与原点的空间直线方程、三维空间下的球面方程，获得空间直线与凸球面镜的交点坐标；

根据三维空间下的球面函数，获得空间直线与凸球面镜的交点在凸球面上的切平面方程；

根据切平面方程获得凸球面镜反射激光点云中激光像点关于切平面的对称点，所述对称点的坐标为凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点坐标。

优选的，所述凸球面镜反射激光点云中激光像点与原点的空间直线方程为：

其中，(x₁，y₁，z₁)是坐标原点(0，0，0)，(x₂，y₂，z₂)是凸球面镜反射激光点云中激光像点，t是参数；

所述三维空间下的球面方程为：

(X-a)²+(Y-b)²+(Z-c)²＝R² (2)

其中，(a，b，c)是凸球面镜的球心坐标，R是凸球面镜的半径；

联立(1)(2)，求得关于参数t的函数方程：

F(t)＝(x₂t-a)²+(y₂t-b)²+(z₂t-c)²-R² (3)

将(x₂，y₂，z₂)以此代入(3)中，求得t值，得到空间直线与凸球面镜的交点(x，y，z)；

所述三维空间下的球面函数为：

f(X，Y，Z)＝(X-a)²+(Y-b)²+(Z-c)²-R² (4)

所述空间直线与凸球面镜的交点在凸球面上的切平面为：

f_x′(X-x)+f_y′(Y-y)+f_z′(Z-z)＝0

f_x′X+f_y′Y+f_z′Z-(f_x′x+f_y′y+f_z′z)＝0 (5)

所述凸球面镜反射激光点云中激光像点关于切平面的对称点为：

得到的(x₃，y₃，z₃)为所述凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点坐标。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，将凸球面镜放置在作业空间的死角处，通过三维激光扫描仪对物体进行扫描，获得激光点云扫描数据，将激光点云扫描数据分离为直视表面区域点云、镜面定位圈区域点云、镜面反射区域点云，根据镜面定位圈区域点云获得旋转矩阵，根据旋转矩阵、镜面反射区域点云，解算凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点点云坐标；将直视表面区域点云与凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点点云坐标进行配准合成，得到物体的完整点云。本发明能够实现复杂情况下扫描物体的可能性，得到物体的完整点云。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法中采用的球面镜的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法的实验示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，参照图1-3，包括以下步骤：

S1、放置凸球面镜，固定支架，将凸球面镜放在作业空间的死角处。

具体的，凸球面镜固定在一个可以多角度旋转移动的支架上，凸球面镜的构成：标准球冠、漫反射圈、支架，其中，凸球面镜的半径R、球冠高等几何参数通过预先检校得到。

S2、三维激光扫描仪获取点云数据，将三维激光扫描仪摆放在可以与凸球面镜保持通视的地方，然后对物体(例如佛像)进行扫描，获取点云数据。

具体的，将凸球面镜放在物体的死角处，然后将三维激光扫描仪放置在三脚架上，调整合适的角度，保持镜子与扫描仪通视，调整扫描仪仪器参数，对物体进行扫描，调整镜子角度，进行多次扫描，尽量保证获得的数据完整。

S3、激光扫描点云分离，依据镜面范围，将激光扫描点云分离成直视表面区域点云、镜面定位圈区域点云、镜面反射区域点云。

具体的，激光扫描点云分离，依据镜面范围，分离成：直视表面区域点云、镜面定位圈区域点云、镜面反射区域点云三个部分，将扫描的完整的点云数据导入软件，然后将三部分分离，分别进行保存。

S4、解算镜面位置与姿态，根据镜面定位圈区域点云解算出旋转矩阵对镜面进行定位。

具体的，所用的凸球面镜的镜面是球形单面反射镜，镜面是标准球的球冠，球的半径R已知，步骤S4中对凸球面镜定位，通过镜面定位圈区域点云解算球面镜位置的旋转矩阵，通过旋转平移将镜面的最大圆平面与扫描仪坐标系xy平面平行。

S5、解算凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点坐标。

具体的，在扫描仪坐标系中建立球面镜反射激光点云中激光像点与原点的空间直线方程，用两点式表示：

其中，(x₁，y₁，z₁)是坐标原点(0,0,0)，(x₂，y₂，z₂)是凸球面镜反射激光点云中激光像点，t是参数。

三维空间下任意球面公式：

(X-a)²+(Y-b)²+(Z-c)²＝R² (2)

联立(1)(2)，求得关于参数t的函数方程：

F(t)＝(x₂t-a)²+(y₂t-b)²+(z₂t-c)²-R² (3)

将(x₂，y₂，z₂)以此代入(3)中，求得t值，那么可以得到空间直线与凸球面镜的交点(x,y,z)。

三维空间下球面函数为：

f(X，Y，Z)＝(X-a)²+(Y-b)²+(Z-c)²-R² (4)

空间直线与凸球面镜的交点在凸球面上的切平面为：

f_x′(X-x)+fy′(Y-y)+f_z′(Z-z)＝0

f_x′X+f_y′Y+f_z′Z-(f_x′x+f_y′y+f_z′z)＝0 (5)

凸球面镜反射激光点云中激光像点关于切平面的对称点为：

得到的(x₃，y₃，z₃)是凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点坐标。

S6、直视表面区域点云与解算得到的凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点点云做配准合成完整物体。

具体的，判断并选择两部分特征点，选取多对，进行配准合成。

本发明实施例提供的一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法至少包括如下技术效果：

1、本发明利用球面镜解算点云的方法和球面镜定位的方法，实现了凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算，能够准确地解算球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点坐标。

2、本发明可实现凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点坐标的解算，得到物体的完整点云，对后续的三维建模有极大的帮助，实现复杂情况下扫描物体的可能性，有助于实现文化保护的完整性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将凸球面镜放置在作业空间的死角处；

S2、将三维激光扫描仪放置在与凸球面镜保持通视的位置，通过三维激光扫描仪对物体进行扫描，获得激光点云扫描数据；

S3、将所述激光点云扫描数据分离为直视表面区域点云、镜面定位圈区域点云、镜面反射区域点云；

S4、根据所述镜面定位圈区域点云，解算凸球面镜的镜面位置与姿态，获得旋转矩阵；

S5、根据所述旋转矩阵、所述镜面反射区域点云，解算凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点点云坐标；

S6、将所述直视表面区域点云与解算得到的所述凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点点云坐标进行配准合成，得到物体的完整点云。

2.根据权利要求1所述的凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，其特征在于，所述步骤S1中，将凸球面镜固定在一个可多角度旋转移动的支架上。

3.根据权利要求1所述的凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过三维激光扫描仪对物体进行扫描时，调整凸球面镜的角度进行多次扫描。

4.根据权利要求1所述的凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过所述镜面定位圈区域点云解算出旋转矩阵，通过旋转平移使镜面的最大圆平面与三维激光扫描仪的坐标系平面平行。

5.根据权利要求1所述的凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

建立凸球面镜反射激光点云中激光像点与原点的空间直线方程；

联立凸球面镜反射激光点云中激光像点与原点的空间直线方程、三维空间下的球面方程，获得空间直线与凸球面镜的交点坐标；

根据三维空间下的球面函数，获得空间直线与凸球面镜的交点在凸球面上的切平面方程；

根据切平面方程获得凸球面镜反射激光点云中激光像点关于切平面的对称点，所述对称点的坐标为凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点坐标。

6.根据权利要求5所述的凸球面镜反射的激光扫描数据获取与解算方法，其特征在于，所述凸球面镜反射激光点云中激光像点与原点的空间直线方程为：

其中，(x₁，y₁，z₁)是坐标原点(0,0,0)，(x₂，y₂，z₂)是凸球面镜反射激光点云中激光像点，t是参数；

所述三维空间下的球面方程为：

(X-a)²+(Y-b)²+(Z-c)²＝R² (2)

其中，(a,b,c)是凸球面镜的球心坐标，R是凸球面镜的半径；

联立(1)(2)，求得关于参数t的函数方程：

F(t)＝(x₂t-a)²+(y₂t-b)²+(z₂t-c)²-R² (3)

将(x₂，y₂，z₂)以此代入(3)中，求得t值，得到空间直线与凸球面镜的交点(x,y,z)；

所述三维空间下的球面函数为：

f(X，Y，Z)＝(X-a)²+(Y-b)²+(Z-c)²-R² (4)

所述空间直线与凸球面镜的交点在凸球面上的切平面为：

f_x′(X-x)+f_y′(Y-y)+f_z′(Z-z)＝0

f_x′X+f_y′Y+f_z′Z-(f_x′x+f_y′y+f_z′z)＝0 (5)

所述凸球面镜反射激光点云中激光像点关于切平面的对称点为：

得到的(x₃，y₃，z₃)为所述凸球面镜反射激光点云中激光像点对应的物体上的物点坐标。

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