一種生成雷射彩色雲圖的方法

2023-10-10 01:34:29 4

專利名稱：一種生成雷射彩色雲圖的方法
技術領域：
本發明涉及一種生成雷射彩色雲圖的方法，更確切地說是通過雷射掃描和線陣相 機來生成雷射彩色雲圖，以用於彩色三維影像重建等。本發明可應用於航天/航空遙感與 攝影測量和機載/車載移動測量/空間信息服務等領域。
背景技術：
目前的三維目標重建技術主要涉及三維目標的輪廓確定和紋理填充兩方面。其主 要技術途徑有兩條一是通過圖片影像數據，利用複雜的大規模計算來進行三維建模；二 是先通過高精度的雷射掃描等手段獲取輪廓數據，再通過攝像裝置獲取物體表面的色彩信 息；最後通過數據融合的方式，將色彩信息與輪廓數據進行匹配，形成紋理貼圖。三維城市建模中採用的方法多是第一條途徑。以近景照片為基礎，利用三維建模 軟體，用重建的方式對建築物建模。在建築物高程獲取方面，一般根據建築物層高人工估 算，或者利用全站儀等測量手段逐點測量。這種建模方法不僅效率低，而且精度不高，很難 獲取建築物真實空間信息，這些模型可用來三維漫遊展示，但無法基於這些模型進行空間 運算、測量，這已成為城市空間信息應用的一個瓶頸。而第二條途徑，由於輪廓信息和攝像裝置是分別獨立工作的，其中數據融合的過 程涉及圖像的邊緣提取、輪廓識別，對象匹配等大量的圖像處理過程，且受算法的影響，融 合的精度也很難控制。例如，申請號CN02116507. 6，名為「計算機視覺三維彩色掃描系統及其掃描方式」 的中國發明專利即公開了一種計算機視覺三維立體彩色掃描系統，該系統採用普通光進行 掃描和目標物體的三維模型輪廓的識別，利用目標物體的外型輪廓構型，進行三維模型的 重建，將攝像裝置拍攝到的每張圖片基於系統坐標系進行疊加，生成物體基本的外型，即生 成三維模型。在輪廓識別的同時，通過攝像裝置獲取物體表面的色彩信息，即得到被掃描物 體的三維紋理貼圖。兩者合成，即形成了初步的三維彩色模型。利用雷射成像技術，利用三 角測距的原理，獲取物體表面測量點的準確坐標值，由此生成大量的三維幾何數據。將普通 光掃描和雷射掃描生成的數據自動迭加複合，在不同位置掃描出來的數據進行計算機自動 迭加，從而得到準確完善的三維數據。此方法反映了現有技術在將雷射掃描獲得的空間位 置信息與攝像機拍攝的物體色彩信息進行融合時的典型思路——將掃描或拍攝各自獨立 完成，並分別將獲得的數據(點雲或依此重建的三維結構模型和照片圖像)作為單獨的整 體，最後進行對象的識別和匹配來填充紋理。對於某個對象而言，攝像機和雷射掃描儀各自 獲取數據的角度和比例等均不相同，其匹配涉及標定、匹配、平移、縮放、旋轉等大量的圖像 數據處理。再比如，申請號為CN200910115564. 9，申請日為2009年06月19日的，名為「基於
雷射和攝像機數據融合的三維重建方法」的中國發明專利即公開了一種基於雷射和攝像機 數據融合的三維重建方法。該重建方法為採用C++語言編寫的基於雷達原理雷射數據自 動採集平臺；獲取攝像機坐標系與雷射器坐標系之間的旋轉矩陣R和平移向量T ；利用光流場區域合併算法將運動目標提取分割出來，進而將運動目標對應的點雲分割出來；為圖像 的三維紋理映射提供了點雲與圖像紋理在精確定位上的保證，從而實現基於數據融合的三 維重建系統。此方法比上一方法有所改進，但是仍必須要進行雷射和CXD的外部標定，並且要 涉及提取和分割複雜環境中目標的有效點雲，由於採用的CCD是進行平面二維圖像的攝 取，其本質上仍屬於雷射數據和CCD 二維影像數據分立採集，再進行數據融合的方法。綜上，現有的三維建模方法由於數據獲取手段和數據處理方法的限制，難以滿足 大規模城市建模的需求。

發明內容
本發明的目的在於，提供能一種快速準確地進行三維重建的方法，解決現有技術 中三維重建過程中精度不高和建模速度慢，數據量大的問題。更具體而言，本發明意在提供一種基於雷射掃描和CCD成像相結合的三維重建方 法，以能夠在圖像的三維位置信息和色彩信息之間建立快速準確的對應，從而減少紋理匹 配的計算量，甚至是能夠實現紋理自動匹配。並且，能夠在一定程度上避免CCD相機的外部 參數的標定。從而，使彩色三維建模能夠在高精度、快速，數據量和計算量小的前提下完成。 這將使本發明特別適於城市三維建模，特別是考慮到本發明的方法是基於實測雷射實測位 置信息的「真三維」城市建模，與基於二維圖像信息的三維重建相比有著無可比擬的優勢， 不但體現了在三維建模思想和技術上的進步，還必然會帶來巨大的經濟利益和對地理信息 系統的建設和城市數位化進程起到極大的推動作用。為此，本發明的核心思路是選擇與雷射掃描儀相似的線掃描CCD相機而非現有技 術中所普遍使用的平面CCD相機來取紋理信息。同時利用線陣相機的高精度的特點，使激 光掃描的點雲能夠被賦予線陣相機採集的RGB彩色值，通過點雲與RGB顏色值的映射，實現 雷射點雲的幾何特徵數據和來自CCD的紋理信息的自動融合，生成雷射彩色雲圖，進而實 現真實感建築物模型的快速重建。並且利用雷射掃描儀和線陣CCD相機均是線掃描的特 點，通過前期的物理手段保證雷射的掃描線與線陣相機的掃描線平行，建立點雲和像元之 間的簡單映射關係。具體而言，本發明的生成雷射彩色雲圖的方法包括以下步驟S10，將線陣相機和 雷射掃描儀進行剛性平行綁定，以使二者的掃描面平行，且該等掃描面垂直於相機前節點 與雷射掃描儀中心的連線；S20，令線陣相機和雷射掃描儀進行同步掃描；S30，建立同名目 標點的雷射掃描角與其在線陣影像上的像元序號間的對應關係——顏色查找表；S40，根據 顏色查找表與雷射掃描儀和線陣相機的掃描時間差建立雷射點雲中的每個雷射點與其RGB 信息對應的關係。其中，步驟Sl中，將線陣相機和雷射掃描儀進行剛性平行綁定是包括以下步驟 S11，將線陣相機的前節點和雷射掃描儀的中心對齊；S12，調整雷射掃描儀和相機的夾角， 使二者的「成像線」平行；S13，調整雷射掃描儀和相機的張角，使二者的「成像線」之間的距 離恆定；S14，將調節好的線陣相機和雷射掃描儀進行剛性綁定。較佳地，所述步驟SlO中，是將線陣相機通過帶有三個調節螺母的雙層過渡板，平 行安裝在雷射掃描儀頂點的正上方，並在所述調節螺母直間設有塞尺，通過調節塞尺進行二者的平行調節。根據本發明的一實施例，調整雷射掃描儀和相機的夾角的方法為令雷射掃描儀 和相機以速度V同步勻速移動，對設置於環狀牆面的多個目標點進行成像；分別計算雷射 掃描線和相機掃描線經過目標點中的點POintl和點point2的時間差Δ、、Δ、，則需要調 整的塞尺距離為dsX ARi,其中，ARi= α-β， 根據本發明的一實施例，調整雷射掃描儀和相機的張角的方法為令雷射掃描儀 和相機以速度V同步勻速移動，對設置於牆面的多個目標點進行成像；求出標誌點連線的 中垂線到投影中心的垂距L，然後獲取每個標誌點對應的雷射掃描儀的高程Zcd和相機高程 Zji,所述高程為二者在對標誌點採樣時距離起點的距離，兩個高程相減再減相機前節點與 雷射掃描儀頂點的距離h(以170mm為例)得到對應每個標誌點的調整分量Vi,ν,需調整的厚度=2XdsX μ，其中，ds為塞尺厚度- = ^fjVl，N 是圖像中標誌點個數。其中，所述剛性綁定是用機械的方式將雷射掃描儀的掃描面和線陣相機固定在一 起，令其不能相對運動；或者用機械/電子的方式對雷射掃描儀和線陣相機進行同步隨動 控制。根據本發明的一實施例，所述步驟S20線陣相機和雷射掃描儀進行同步掃描通過 將二者固定在一精密可控的升降平臺上實現。較佳地，所述步驟S30中，顏色查找表的建立是根據雷射點雲上作為標誌點的同 名點坐標與影像信息的匹配；首先，在點雲中識別出標誌點，之後根據標誌點的坐標中附帶 的GPS時間信息找到對應極坐標文件中對應點的角度，同時在影像中量測出該標誌點的列 號，即其對應線陣相機中的第幾個像素；從而建立相機一個像素與雷射掃描儀對應極坐標 角度之間的映射關係。 較佳地，所述顏色查找表中雷射掃描角與其在線陣影像上的像元序號間的對應關 系是非線性的。較佳地，所述步驟S40中，利用GPS數據，實時獲取剛性綁定的相機和雷射掃描儀
二者在運動方向上的速度V(t)，通過速度V(t)根據公式 /= Iii2論求得相機和雷射掃描
儀移動距離d所需的時間差t2-tl，由此建立雷射掃描線和相機的對應推掃線的映射，其中 d是相機前節點和雷射掃描儀中心之間的距離。本發明的有益效果在於，通過CCD線陣相機與雷射掃描儀的剛性平行綁定和顏色 查找表的建立，使得點雲與影像的融合由現有技術中的三維融合變為極坐標一維融合。將 運算量由複雜圖形處理減小到四則運算的程度，從而極大的提高了運算速度；並且，本發明 的方法由於是將點雲中的每個雷射點直接與CCD像素對應，也使得建模的精確度與現有技 術相比有了質的飛躍。基於在三維建模精度、建模速度以及數據運算成本方面的節約，使得 本發明的方法可以應用於大規模的城市三維建模，給城市數位化建設和地理信息系統的建 立帶來極大的方便。從而，本發明的應用必將會帶來顯著的社會效益和經濟效益。


圖1是本發明雷射彩色雲圖生成方法的流程示意圖；圖2是本發明的顏色查找表一實施例的流程圖；圖3是本發明的線陣相機與雷射掃描儀的鋼性平行綁定方法流程示意圖；圖4是本發明平行綁定方法中夾角調節的示意圖；圖5是本發明平行綁定方法中張角調節的示意圖。
具體實施例方式參見圖1，其從整體上概括了本發明雷射彩色雲圖生成方法的主要步驟。首先，在步驟10，將線陣相機和雷射掃描儀進行剛性平行綁定，其目的是使線陣相 機的成像像元與雷射掃描儀的點雲之間的對應關係相對固定和可解析計算，例如令二者的 映射關係是線性或非線性時不變的將最為理想，從而後期的數據處理簡單卻能得到極為精 確的結果。所謂「平行綁定」是指雷射掃描儀的掃描面和線陣相機的取像「物」線(也稱相 機掃描線)與其前節點所確定的平面(本發明中為便於敘述，將這個平面稱為"相機掃描 面")之間平行。最好是再令這兩個平行的平面能夠垂直於雷射掃描儀的雷射中心與線陣相 機的前節點這兩點之間的連線。至於如何實現「平行綁定」，將在後文結合圖3-4詳細說明。所謂剛性綁定，是指一旦綁定之後，雷射掃描儀的掃描面和線陣相機的掃描面之 間的相對位置關係不變，其最簡單的實施方式就是用機械的方式將雷射掃描儀的掃描面和 線陣相機固定在一起，令其不能相對運動。當然，用機械/電子的方式對雷射掃描儀的掃描 面和線陣相機進行同步隨動控制也是可以的，只是在實現上成本要高一些。機械固定式綁 定的好處是一旦綁定之後，若無機械故障等意外，一般不會發生偏移，可靠概率較高，但一 旦出現故障則可能不會被及時發現。而可控同步隨動的優勢則在於由於有實時的校驗，可 以隨時發現故障，及時糾正，但是在成本和可靠性方面略遜。本領域技術人員可以根據數據 採集可靠性和精度以及成本等多方面考慮來自行選擇綁定方式，或條件允許的話，帶有同 步校驗的機械固定式綁定將是最可靠的方式。在步驟20，令線陣相機和雷射掃描儀進行同步掃描。在剛性綁定之後，在掃描建模 的過程中，線陣相機和雷射掃描儀的移動將是同步的，即掃描線和取像的「物」線是兩條同 步移動的直線，這樣在二者移動速度恆定或者其速度時變函數和v。(t)是已知時，可 以非常方便的建立二者之間的對應關係。相機和雷射掃描儀的同步可通過雷射掃描儀發送 的外觸發來實現，因為雷射掃描儀的數據採集涉及反射稜鏡的旋轉等大量的機械運動，而 線陣相機則由於主要是電子元件的運作反應快而靈敏，所以由雷射掃描儀發送外觸發來使 相機與之同步運作實現起來較為容易且可靠。同步掃描在系統運行之前的平行綁定的過程中也非常重要。由於相機和雷射掃描 儀都是線掃描，只有通過移動才能成二維圖像。線陣相機和雷射掃描儀的同步也是通過目 標影像和點雲之間的同名點匹配來求解相機與雷射掃描儀安裝誤差角度的實現平行綁定 調節的基礎。為了便於計算，可利用專用的精密導軌嚴格控制相機和雷射掃描儀由下往上 (當然也可以由上向下)進行勻速推掃，在獲取的傳感器圖像上分別尋找同名點，根據同名 點在兩個傳感器圖像上的坐標差異，來求解相機和雷射的安裝誤差角度，作為用精密塞尺進行調整的依據。所謂「同名點，，是指真實環境中同一個點在雷射掃描儀和線陣相機兩個傳感器中 分別對應的成像點。可以利用顯著的自然或人工環境標記來構造易於識別的同名點，例如 顏色、亮度與周圍環境反差大的「十字」標記。在步驟30，建立同名目標點的雷射掃描角與其在線陣影像上的像元序號間的對應 關係——顏色查找表。相機和雷射掃描儀經過平行剛性綁定之後，對於作為雷射掃描面與相機掃描面與 被掃描物體(例如建築物的牆面)之間的交線，雷射掃描線與相機掃描線可能在不同時間 經過同一位置，但是對於同一被掃描「物」線，兩條掃描線之間的對應關係是恆定的。這是 因為雷射掃描儀和相機是剛性固定在一起，不隨載體的位置和姿態發生變化而變化，所以， 可建立在雷射掃描面內的角度掃描方向與所對應的相機列號之間的對應關係，這種映射關 系稱之為顏色查找表。當雷射掃描儀的角度解析度和線陣相機的像元之間個數相同時，可 建立二者之間的一一對應關係；個數不同時，可以通過插值等方式建立近似對應關係。要說 明的是，「表」這一稱謂，只是為了形象的表示兩組數據之間的對應，而並非對所述映射關係 的表示形式或數據存儲形式進行限定。當然，可以用對應表來表達該映射關係，也可用函數 來表達其映射關係。在存儲的數據結構上也可以根據程序編制或接口應用的需求採取任何 便於讀寫的數據結構和存儲方式。如果可能，可以通過調整雷射掃描儀的稜鏡轉數等方式，令其雷射點雲中每一掃 描線上的極坐標的取點數與線陣相機CCD的像素數相當，例如一致或呈整數倍比關係。對 於大多數時候的不一致的情況，則通過插值的方法計算。查找表的建立步驟，同樣是根據雷射點雲上作為標誌點的同名點坐標與影像信息 的匹配。首先，在點雲中識別出標誌點，之後根據標誌點的坐標中附帶的GPS時間信息找到 對應極坐標文件中對應點的角度，同時在影像中量測出該標誌點的列號，即線陣CCD中的 第幾個像素(非前進方向)。例如，設線陣CCD每一線的像素數是2048，顏色查找表可以定 義為建立相機1 2048中每一個像素與雷射對應極坐標角度之間的映射關係，本發明中稱 相機的像素向雷射的角度映射為正映射，其間隔為1個像素，此查找表稱為正查找表，將激 光點的角度向相機像素的映射為逆映射，此查找表稱為反查找表。為測定「查找表」所用的靶標可以使用一切有利於建立相機與雷射之間對應關係 的標誌，比互相垂直的交通反射片、網球場的鐵絲網、花圃的欄杆，要求線陣相機視場角把 標誌點點對稱地覆蓋在視場之內，如果不能一次覆蓋，可以前後移動車位，分多次覆蓋，建 立全視場範圍內的顏色查找表。為了建立正確和精準的對應，標誌點要求均勻分布覆蓋在 0-2047像元範圍內，並且至少50到100個點以上，更多的標誌點將會有利。利用查找表，可以建立雷射點與線陣相機列號方向之間的關係(非前進方向)，激 光點與行號(前進方向)之間的關係通過時間關聯的方式建立，由此得到彩色雲圖。得到 彩色雲圖後，如果需要，可以引入校驗步驟，將信息融合所得的彩色雲圖與實際圖像對比， 如果發現在點雲融合中存在誤差，可以隨時返回重新建立查找表。這裡查找表的精確性主要取決於兩方面一是前期相機平行性調整的精確；二是 查找表建立時人工量取雷射與相機之間同名點的精確與否。如果不精確，將直接導致雷射 點雲與相機顏色融合的效果。
附圖2是根據本發明的方法建立的顏色查找表的圖示。其中橫坐標是線陣 相機的像元號，縱坐標是對應點雲上雷射點的極坐標角度。該圖示中，雷射掃描儀每 秒100K, 50圈，每圈100K/50 = 2000個點，每點之間的角度間隔為360/2000 = 0. 18 度，相機，每線2048個點，C⑶單元大小為14um，焦距為14mm，相機的視場角為α = 2Xarctg((1024X 14um)/14mm) = 91. 3587295 度，相機每點之間的角度間隔為 α /2048 = 0. 044608746度。由此，每兩個雷射點之間，可以內插近4個像元，建立雷射點向相機之間的 映射關係，雷射在與相機視場匹配的區域內，每隔0. 04度，建立一對映射。理論上，查找表越細越好，因為線陣相機沒有經過精確的檢校，其內方位元素、徑 向畸變等都是未知的，建立查找表的目的之一就是迴避複雜的相機內檢校。因此，從圖2中 可以看出，查找表所對應的是一條非線性的曲線。最後，在步驟40，根據顏色查找表與掃描時間差建立雷射點雲中的每個雷射點與 其RGB信息對應的關係。建立顏色查找表，解決了每一線雷射掃描儀數據與線陣相機在掃描方向的匹配， 在實際三維成像過程中，還要考慮推掃方向(推掃方向一般情況下為垂直於掃描線的方 向)上各條掃描線之間的匹配。對雲像來說，如果定義掃描方向為X軸，則推掃方向一 般為與X軸垂直的Y軸方向，在城市三維建模中，所述推掃方向可與車行方向一致。而在平 行綁定等前期校準過程中，推掃方向可選為豎直方向，而將標靶360度環繞設置。車行或推掃方向第幾條雷射掃描線對應第幾條相機推掃線可以靠時間來關聯。在 檢校之後，雷射掃描儀的中心到相機前節點之間的距離d是已知的定值。如果再已知推掃 的速度V(t)和雷射掃描儀和相機掃描數據的採集時間，就可以同一目標點在二者採集的 數據之間的對應關係。為簡化描述，設線陣相機掃描經過點Pl的時間是tl，雷射掃描經過點Pl的時間 是t2，掃描面方向、掃描目標平面(例如垂直牆面)以及推掃方向(車行前進方向)兩兩垂 直，雷射掃描儀的採樣時間忽略不計，則d= ^V {t)dt(1)其中，在查找表建立的過程中，可令相機和雷射掃描儀在精密控制的升降平臺上 運行，此時速度很均勻，V(t)恆定，它們對於同一目標點之間的採樣時間差是恆定的，通過 這個時間差可以精確建立二者運動方向上雷射掃描儀和相機的數據之間的映射。但在正常生產時，車載平臺前行的速度往往是不均勻的，此時雷射掃描儀和相機 之間與牆目標交線的間距雖然是固定的，但是速度不固定，雷射掃描儀和相機之間的時間 差也就不固定了，故而映射關係的建立要相對複雜。為此，本發明的解決方案是利用GPS數 據，實時獲取剛性綁定的相機和雷射掃描儀二者在運動方向上的速度V(t)，通過速度V(t) 根據公式(1)求得傳感器移動此固定距離所需的時間差t2-tl，由此建立車行方向的雷射 掃描線和相機的對應推掃線的映射，從而完成三維點雲賦彩色的過程。下面結合圖3到圖5對於本發明中相機和雷射掃描儀的平行綁定的一個優選實施 例進行詳細說明。圖3是本發明的線陣相機與雷射掃描儀的鋼性平行綁定方法流程示意圖。鋼性平 行綁定的目的是為了易於線陣相機和雷射掃描儀後期數據的處理，因此最好將其相對線方 位和姿態調整為儘可能接近零。
如圖3所示，具體的鋼性平行綁定包括以下步驟步驟11，將線陣相機的前節點和 雷射掃描儀的中心對齊；步驟12，調整雷射掃描儀和相機的夾角，使二者的「成像線」平行； 步驟13，調整雷射掃描儀和相機之間的張角，使二者的「成像線」之間的距離恆定；步驟14， 將調節好的線陣相機和雷射掃描儀進行剛性綁定。由於為便於後期數據處理，需要線陣相機和雷射掃描儀的相對線方位和姿態調整 為儘可能接近零，因此，在步驟11中，二者中心的對齊可視為做初步的粗略準備，再通過後 面步驟進行精確調整。由於實際操作中，線陣相機的前節點和和雷射掃描儀的中心雖然可 以視為抽象的質點，但是兩個儀器本身是具有一定體積和形狀的，例如具有長方體的輪廓。 因此，所述的「線陣相機的前節點和雷射掃描儀的中心對齊」一般可理解為，在安裝上相機 的節點與雷射的中心要儘可能在一條直線上，並且該直線大體垂直於雷射的掃描面和相機 的掃描面。並最好使相機的前節點大致位於雷射的光錐上。因為如果相機的前節點可以放 到雷射光錐上的話，那麼相機的RGB往雲圖上賦值就會變得很簡單，只要將相同角度的像 素的值賦給對應角度的雲圖的點，就可以得到彩色雲圖，本特徵的目的就是為了給雲圖賦 彩色提供一個物理基礎。下面結合具體安裝的實施例對平行綁定調整的方法進行說明。例如，可令線陣相 機通過帶有三個調節螺母的雙層過渡板，平行安裝在雷射掃描儀頂點的正上方。由於相機在雷射上的安裝平面不會絕對平行，導致二者的「成像線」也不平行。以 掃描目標是牆面為例，雷射掃描平面與牆目標的交線與線陣相機影像同一時刻與牆的交線 即分別可視為二者的「成像線」。為了調整二者之間的平行度，可使用塞尺，例如最小0. 02 毫米解析度的塞尺，根據三點定平面的方法，利用塞尺有孔的那一側，塞在三個調節螺母的 中間。為了真正實現點接觸，三個點事先要有一個1毫米的基礎塞尺，否則出現面接觸就不 準確了，而且不能使用工具鋼的墊片，鋁的、銅的都容易變形生鏽，要用工具鋼塞尺實現。其 中安裝面在安裝方向的邊長200為例，假如車頭朝北，相機安裝在車行方向的右側，則此邊 長為安裝面的南北邊長調整的精度為0. 02/200 = 0. 0001弧度，三個調整點的距離可設在 200毫米左右。並且，最好是根據相機和雷射掃描儀的夾角計算要調整的方向和厚度，相機與激 光掃描儀的夾角也即掃描到牆目標上兩條直線的夾角，可通過雷射掃描儀和相機進行同步 掃描成像，從雲圖和影像上量取同名點來求得。請參照圖4，令雷射掃描儀與線陣相機安裝在一精密可控的升降平臺上，由下往上 掃描，假設在某一固定時刻，雷射和線陣相機與牆面的交線分別為交線Y和交線R，則雷射 掃描儀與相機的安裝夾角即定義為=ARi = α-β，塞尺的厚度為ds，則需要調整的厚度為 dsX Δ&。其中，α和β可由下式計算α = AtLXV/d ；β = AtcXV/d ；其中，Δ、為雷射掃描線經過點pointl和點point2的時間差；Δ tc為相機掃描 線經過點pointl和點point2的時間差；V是平臺上升速度，例如，在一實施例中，V的實測 值為0. 007608652m/s ；d是點pointl和point2之間的距離，即該兩點之間的直線段B的長度。為了確定標誌點pointl和point2，以及線陣相機和雷射掃描儀的掃描「成像線」 Y、R，可以選用相互垂直的交通反射標誌作為標靶，中心為2釐米平方的普通紙，而靶標 布置則要儘量充滿線陣相機水平方向的全部視場。關於夾角調整的精度，這個夾角的作用距離應該是相機的全視場角在物方的作用 值，允許限差可設為大概在1 %度左右。這個數值意味著當相機距目標60米時，視場角度為 90度，物方視場寬度為120米，則根據限差推算的物方誤差應該為120*0. 01/57 = 0. 02 米，此時不足一個像元，如果相機視距遠，調焦清楚，此項限差就不顯得苛刻了。接下來，對步驟13調整雷射掃描儀和相機之間的張角進行說明，張角的產生同樣 是來自雷射掃描儀與線陣相機安裝的誤差。由於僅僅調整夾角使「成像線」之間平行，尚不能保證相機掃描面和雷射掃描面之 間的平行，因此需要進一步調整二者之間的張角。所述張角調整的目的是相機掃描面和激 光掃描面平行，且該兩平行平面垂直於雷射掃描儀中心和相機中心之間的連線。仍以上述的夾角調整中的安裝方式為例，由於雷射掃描儀和相機的中心(前節 點)不可能安裝在一個質點上面，所以它們之間在安裝上就存在一個距離r，如果雷射掃描 平面與牆目標的交線與線陣相機影像同一時刻與牆的交線之間的距離小於或者大於相機 前節點與雷射頂點之間的距離，此時即可判斷兩個掃描面不平行。可以通過調整雷射與線 陣相機安裝上的另一個角度，使雷射掃描儀和線陣相機各自與牆目標的交線之間的距離始 終保持恆定，與二者中心距離r相同，且不隨牆目標離傳感器的遠近而發生變化，本發明中 將此時要調整的角度稱為張角。張角的調整方法和夾角類似，也需要從雲圖和影像上量取 同名點，計算兩條平行交線之間的距離是否等於雷射掃描儀與線陣相機在安裝上的位置距 離，根據計算的張角大小再使用塞尺來調節相機在雷射上的安裝角度。下面結合圖5對張角的計算進行說明。張角是在夾角調好之後的基礎上進行計 算的。一般需要重新設定若干標靶作為標誌點，分別從點雲上量測出該處標誌點中心的時 間，從相機的影像上量測出標誌點中心的行數，根據線陣相機觸發的頻率，計算出標誌點在 影像上的時間，計算出每個標誌點相機和雷射掃描儀的時間差值，由此差值根據升降平臺 的速度計算出雷射與相機掃描到牆面時所形成的交線的距離，如果這個距離不等於雷射掃 描儀中心點和相機前節點在垂直安裝時垂直方向上的距離h，例如，在本發明一實施例中為 170mm，則根據之間的差值就可以計算出要調整的角度及塞尺的厚度。其計算方法為，首先求出標誌點連線的中垂線到投影中心的垂距L，然後獲取每個 標誌點對應的雷射掃描儀的高程Zcd和相機高程Ζ"(即二者在隨平臺移動的高度)，兩個高 程相減再減相機前節點與雷射掃描儀頂點的距離h(以170mm為例)得到對應每個標誌點 的調整分量Vi， 需調整的厚度則可用全體標誌點的平均值μ來求得，公式如下 需調整的厚度=2\如\11讓，其中，如為塞尺厚度。以塞尺厚度為230mm為例， 如果計算的需調整的厚度小於0. 02毫米，就沒有調整的必要了。張角調整的標靶同樣可選用相互垂直的交通反射標誌，中心為2釐米平方的普通紙，靶標布置要儘量充滿線陣相機水平方向的全部視場。本項調整的車位擺設與標誌點布設與張角調整中的環狀雲圖時不太一樣，這裡要 求1)標誌點基本在一個水平線上；2)投影中心位於標誌點連線的中垂線上；3)投影中心離標誌點多遠由線陣相機視場角決定要求把標誌點點對稱地覆蓋在 視場之內，例如圖5中視場角為70度；4)標誌點的84坐標也要求測出來；張角調整的掃描方式與夾角調整的過程一樣，也要測出開始掃描與結束掃描時的 雷射中心位置；相機採用外觸發，由雷射觸發相機(建議每秒100次採樣)。張角的調整建立在上一項，夾角已經調整好的基礎上，允許限差大概在1 %度左 右。就上述實施例的參數而言，這就意味著調整結束後，張角所產生的間距最多在20米左 右還會有1釐米的誤差，1個釐米，根據升降平臺的速度，在垂直方向，相當於進行縱橫比例 尺調整後圖像上1個像元的誤差，如果相機視距遠，調焦清楚，此項限差就不顯得苛刻了。要強調的是，本實施例僅作為實現平行綁定的一種優選實施方式，使用其它方式 實現平行綁定的方法，只要不脫離本發明的精神和範疇，一樣會落入本發明的權利要求範 圍。例如，在嚴格控制的實驗環境，設計有水平平行直線標記的目標牆面；或者用現有技術 的參數標定方法對線陣CCD相機進行標定等。這些方法雖然實現上比該優選實施例來的復 雜，但也可以實現本發明的目的。以上對本發明的描述是說明性的，而非限制性的，本專業技術人員理解，在權利要 求限定的精神與範圍之內可對其進行許多修改、變化或等效，但是它們都將落入本發明的 保護範圍內。
權利要求
一種生成雷射彩色雲圖的方法，在待測場景中設有多個目標點，其特徵在於，包括以下步驟S10，將線陣相機和雷射掃描儀進行剛性平行綁定，以使二者的掃描面平行，且該等掃描面垂直於相機前節點與雷射掃描儀中心的連線；S20，令線陣相機和雷射掃描儀進行同步掃描；S30，建立同名目標點的雷射掃描角與其在線陣影像上的像元序號間的對應關係——顏色查找表；S40，根據顏色查找表與雷射掃描儀和線陣相機的掃描時間差建立雷射點雲中的每個雷射點與其RGB信息對應的關係。
2.根據權利要求1所述的生成雷射彩色雲圖的方法，其特徵在於，所述步驟Sl中，將線 陣相機和雷射掃描儀進行剛性平行綁定是包括以下步驟S11，將線陣相機的前節點和雷射掃描儀的中心對齊；S12，調整雷射掃描儀和相機的夾角，使二者的「成像線」平行；S13，調整雷射掃描儀和相機的張角，使二者的「成像線」之間的距離恆定；S14，將調節好的線陣相機和雷射掃描儀進行剛性綁定。
3.根據權利要求1所述的生成雷射彩色雲圖的方法，其特徵在於，所述步驟SlO中，是 將線陣相機通過帶有三個調節螺母的雙層過渡板，平行安裝在雷射掃描儀頂點的正上方， 並在所述調節螺母直間設有塞尺，通過調節塞尺進行二者的平行調節。
4.根據權利要求3所述的生成雷射彩色雲圖的方法，其特徵在於，調整雷射掃描儀和 相機的夾角的方法為令雷射掃描儀和相機以速度V同步勻速移動，對設置於環狀牆面的 多個目標點進行成像；分別計算雷射掃描線和相機掃描線經過目標點中的點pointl和點 point2的時間差Δ、、Δ、，則需要調整的塞尺距離為如父八氏，其中，八氏=α-β , α = AtLXV/d, β = AtcXV/d，d 是點 pointl 和點 point2 的直線距離。
5.根據權利要求3所述的生成雷射彩色雲圖的方法，其特徵在於，調整雷射掃描儀和 相機的張角的方法為令雷射掃描儀和相機以速度V同步勻速移動，對設置於牆面的多個 目標點進行成像；求出標誌點連線的中垂線到投影中心的垂距L，然後獲取每個標誌點對 應的雷射掃描儀的高程Zcd和相機高程~，所述高程為二者在對標誌點採樣時距離起點的 距離，兩個高程相減再減相機前節點與雷射掃描儀頂點的距離h(以170mm為例)得到對應Z -Z —h每個標誌點的調整分量Vi，V,=」^^ ,需調整的厚度=2XdsX μ，其中，ds為塞尺厚L·/度…=^Σ^，N是圖像中標誌點個數。
6.根據權利要求1或2所述的生成雷射彩色雲圖的方法，其特徵在於，所述剛性綁定是 用機械的方式將雷射掃描儀的掃描面和線陣相機固定在一起，令其不能相對運動；或者用 機械/電子的方式對雷射掃描儀和線陣相機進行同步隨動控制。
7.根據權利要求1所述的生成雷射彩色雲圖的方法，其特徵在於，所述步驟S20線陣相 機和雷射掃描儀進行同步掃描通過將二者固定在一精密可控的升降平臺上實現。
8.根據權利要求1所述的生成雷射彩色雲圖的方法，其特徵在於，所述步驟S30中，顏 色查找表的建立是根據雷射點雲上作為標誌點的同名點坐標與影像信息的匹配；首先，在2點雲中識別出標誌點，之後根據標誌點的坐標中附帶的GPS時間信息找到對應極坐標文件 中對應點的角度，同時在影像中量測出該標誌點的列號，即其對應線陣相機中的第幾個像 素；從而建立相機一個像素與雷射掃描儀對應極坐標角度之間的映射關係。
9.根據權利要求1所述的生成雷射彩色雲圖的方法，其特徵在於，所述顏色查找表中 雷射掃描角與其在線陣影像上的像元序號間的對應關係是非線性的。
10.根據權利要求1所述的生成雷射彩色雲圖的方法，其特徵在於，所述步驟S40中，利 用GPS數據，實時獲取剛性綁定的相機和雷射掃描儀二者在運動方向上的速度V(t)，通過速度V(t)根據公式^=￡2廠(0論求得相機和雷射掃描儀移動距離d所需的時間差t2-tl，由此建立雷射掃描線和相機的對應推掃線的映射，其中d是相機前節點和雷射掃描儀中心之 間的距離。
全文摘要
一種生成雷射彩色雲圖的方法，在待測場景中設有多個目標點，包括以下步驟S10，將線陣相機和雷射掃描儀進行剛性平行綁定，以使二者的掃描面平行，且該等掃描面垂直於相機前節點與雷射掃描儀中心的連線；S20，令線陣相機和雷射掃描儀進行同步掃描；S30，建立同名目標點的雷射掃描角與其在線陣影像上的像元序號間的對應關係——顏色查找表；S40，根據顏色查找表與雷射掃描儀和線陣相機的掃描時間差建立雷射點雲中的每個雷射點與其RGB信息對應的關係。本發明使得點雲與影像的融合由現有技術中的三維融合變為極坐標一維融合減小運算量的同時又極大的提高了建模精度，一舉多得。能夠極大地降低城市三維建模的時間成本和經濟成本。
文檔編號G06T17/00GK101901501SQ20101023726
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月22日 優先權日2010年7月22日
發明者劉先林, 宮輝力, 王留召, 鍾若飛 申請人:首都師範大學