激光雷達(dá)的三維室內(nèi)信息采集與顯示范文

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摘要：隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們已經(jīng)開(kāi)始對(duì)三維信息的需求與日劇增。在社會(huì)生活中應(yīng)用廣泛，比如電子地圖、建筑設(shè)計(jì)、園林景觀、產(chǎn)品演示等各個(gè)領(lǐng)域。針對(duì)室內(nèi)環(huán)境研究開(kāi)發(fā)了室內(nèi)三維環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采集室內(nèi)環(huán)境信息、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形等功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可行使用傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境信息進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、圖像使顯示環(huán)境再現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；三維建模；點(diǎn)云

1概述

目前室內(nèi)三維數(shù)據(jù)采集與顯示是一個(gè)研究熱點(diǎn)，三維環(huán)境信息采集與顯示技術(shù)是一種真實(shí)環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為虛擬信息，使其具有再現(xiàn)能力，使不可直接觀察的現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行再現(xiàn)。它利用激光雷達(dá)獲取室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)，利用深度攝像頭獲得影像點(diǎn)云進(jìn)行三維模擬顯示。它可以將物理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有顏色、狀態(tài)、紋理等使現(xiàn)實(shí)環(huán)境再現(xiàn)，使人可以觀察到不可見(jiàn)的現(xiàn)象。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

LiDAR激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，也稱(chēng)LaserRadar或者LADAR。激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指由激光雷達(dá)掃描獲取的數(shù)據(jù)。每一個(gè)很小的束探測(cè)到一個(gè)數(shù)據(jù)，可視化后就是一個(gè)點(diǎn)，所以稱(chēng)“點(diǎn)”數(shù)據(jù)。整個(gè)無(wú)序數(shù)據(jù)可視化后就像云一樣，所以是“云”數(shù)據(jù)。相比普通的平面二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，激光達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)分布離散并且不均勻。掃描激光的方向不停改變，使每次探測(cè)到的距離都是一個(gè)離散的數(shù)據(jù)，在空間可視化之后表現(xiàn)出不同位置的離散點(diǎn)；由于掃描方式不同會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)分布不均勻。（2）含目標(biāo)空間位置坐標(biāo)信息。與傳統(tǒng)光學(xué)數(shù)據(jù)相比，可以直接從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中進(jìn)行空間測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)反應(yīng)物體空間位置關(guān)系。（3）高密度，高精度。掃描儀角分辨率小，點(diǎn)云數(shù)據(jù)密集，而其高精度特性由激光器的高精度決定，同時(shí)會(huì)使點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量龐大。

2.2數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸硬件

基于激光雷達(dá)掃描和其他傳感器對(duì)三維坐標(biāo)和像素信息的采集，并實(shí)時(shí)獲取空間三維點(diǎn)云、GPS位置、與目標(biāo)點(diǎn)方位角、俯仰等信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)，并可以通過(guò)開(kāi)發(fā)板與PC連接傳輸數(shù)據(jù)。

2.3三維建模與顯示

讀取設(shè)備獲取的環(huán)境信息并傳入后臺(tái)PC機(jī)，在PC機(jī)利用軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，融合像素點(diǎn)和圖片對(duì)應(yīng)點(diǎn)的RGB信息，進(jìn)行三維模型重構(gòu)，建立三維模型包括物體輪廓、顏色、紋理等信息，并利用三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。通過(guò)Kinect體感儀，實(shí)現(xiàn)人體三維重建。使用Kinect體感儀，掃描獲取人體三維數(shù)據(jù)，利用深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法實(shí)現(xiàn)二維頂點(diǎn)的三維化，再通過(guò)紅外相機(jī)姿態(tài)跟蹤算法進(jìn)行頂點(diǎn)集配準(zhǔn)，求解相機(jī)每一次的相對(duì)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)相機(jī)姿態(tài)跟蹤，并將每一次拍攝到的點(diǎn)集轉(zhuǎn)換到同一全局坐標(biāo)系之下，使用晶格化顯示集成算法將點(diǎn)云集成到提前劃分好精度及尺寸的體素晶格中，然后利用投影映射算法獲得人體三維立體模型。

3系統(tǒng)框架與功能模塊

整個(gè)系統(tǒng)的軟件分為控制部分和數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)處理：對(duì)數(shù)據(jù)采集板得到點(diǎn)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，把點(diǎn)云、位置、影像等信息建立的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行可視化顯示?？刂撇糠郑哼^(guò)程狀態(tài)的說(shuō)明指示、傳感器和采集感知設(shè)備的控制移動(dòng)、轉(zhuǎn)向等，保證各器件的穩(wěn)定同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，兼容性。構(gòu)建合理的系統(tǒng)框架和模塊化功能設(shè)計(jì)等方面。數(shù)據(jù)采集模塊：通過(guò)激光雷達(dá)以及其他傳感器對(duì)三維坐標(biāo)和像素信息采集。圖像處理模塊：讀取設(shè)備獲取的環(huán)境信息并傳入后臺(tái)PC機(jī)，在PC機(jī)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，融合像素點(diǎn)和圖片對(duì)應(yīng)點(diǎn)的RGB信息，進(jìn)行三維模型重構(gòu)，并利用三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。三維建模與顯示模塊：通過(guò)PC機(jī)與Kinect體感儀實(shí)現(xiàn)三維建模與可視化。數(shù)據(jù)處理模塊：嵌入式開(kāi)發(fā)板與激光雷達(dá)具有數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與基礎(chǔ)處理功能，能對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4功能開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

以VC++2012.Net為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，集成傳感器，在Windows系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立三維建模與顯示，該系統(tǒng)以基于激光雷達(dá)掃描和其他傳感器對(duì)三維坐標(biāo)和像素信息的采集技術(shù)背景，在PC機(jī)利用軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，融合像素點(diǎn)和圖片對(duì)應(yīng)點(diǎn)的RGB信息，進(jìn)行三維模型重構(gòu)，建立三維模型包括物體輪廓，顏色，紋理等信息并利用三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

4.2程序總體流程與算法

4.2.1總體算法流程

（1）數(shù)據(jù)處理，是將傳感器原始的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D點(diǎn)云，得到點(diǎn)云中頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)和法向量。（2）相機(jī)跟蹤，可以將當(dāng)前幀的3D點(diǎn)云和現(xiàn)有模型生成的3D點(diǎn)云進(jìn)行ICP(迭代最近點(diǎn))匹配，計(jì)算得到當(dāng)前幀相機(jī)的位姿。（3）點(diǎn)云融合，根據(jù)所計(jì)算出的當(dāng)前相機(jī)位姿，使用TSDF點(diǎn)云融合算法將當(dāng)前幀的3D點(diǎn)云融合到現(xiàn)有模型中。（4）場(chǎng)景渲染，使用光線跟蹤的方法，根據(jù)現(xiàn)有模型和當(dāng)前相機(jī)位姿預(yù)測(cè)出當(dāng)前觀察到的環(huán)境點(diǎn)云，1）用于反饋給用戶(hù)，2）可以提供給相機(jī)跟蹤進(jìn)行ICP匹配。

4.2.2RPLIDAR激光雷達(dá)掃描后的數(shù)據(jù)處理算法

RPLIDARA1激光掃描測(cè)距雷達(dá)可以在二維平面內(nèi)進(jìn)行360度的激光測(cè)距掃描，然后產(chǎn)生所在空間的平面點(diǎn)云地圖信息。RPLIDAR激光雷達(dá)掃描采用了激光三角測(cè)距技術(shù)，以激光作為光源，每次測(cè)距將發(fā)射紅外激光信號(hào)，激光信號(hào)照射到目標(biāo)物體后產(chǎn)生的反光將會(huì)被視覺(jué)采集系統(tǒng)接受，經(jīng)過(guò)DSP處理器進(jìn)行解算然后輸出數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)的部分算法如下：

4.2.33D場(chǎng)景建模算法

KinectV2配備彩色攝像頭，紅外線投影機(jī)，深度攝像頭和四元線性麥克風(fēng)陣列等傳感器。通過(guò)Kinect可以獲取Color,Infrared,Depth,BodyIndex,Body共6個(gè)數(shù)據(jù)源，可根據(jù)需要調(diào)用多個(gè)傳感器。在室內(nèi)環(huán)境三維建模中，可以借助顏色和深度值的傳感器（RGB-D），運(yùn)用KinectFusion算法將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)3D場(chǎng)景建模。

5測(cè)試結(jié)果與分析

通過(guò)攝像頭采集室內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，在程序中實(shí)現(xiàn)基于激光雷達(dá)的室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、場(chǎng)景三維模型數(shù)據(jù)顯示等基本功能。利用RPLIDAR激光雷達(dá)和Kinect的使用與開(kāi)發(fā)、VC++2012.Net平臺(tái)上C程序的開(kāi)發(fā)方法，以及硬件設(shè)計(jì)基本方法實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、場(chǎng)景三維模型數(shù)據(jù)顯示等基本功能。實(shí)現(xiàn)了相機(jī)跟蹤，點(diǎn)云融合，場(chǎng)景渲染，建立三維模型包括物體輪廓、顏色、紋理等信息并利用三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。對(duì)數(shù)據(jù)采集板得到點(diǎn)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，把點(diǎn)云、位置、影像等信息建立的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行可視化顯示。通過(guò)Kinect獲取Color,Infrared,Depth,BodyIndex,Body共6個(gè)數(shù)據(jù)源，可根據(jù)需要調(diào)用多個(gè)傳感器。在室內(nèi)環(huán)境三維建模中，借助顏色和深度值的傳感器（RGB-D），運(yùn)用KinectFusion算法將采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)3D場(chǎng)景建模。每次采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)通訊接口輸出，包括距離值、夾角、信號(hào)強(qiáng)度和起始信號(hào)(布爾值)的信息。測(cè)距范圍0.15-6米，頻率大于2000Hz可調(diào)。

6結(jié)語(yǔ)

激光雷達(dá)的掃描與顯示技術(shù)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，在工業(yè)制造、軍事、民用、科學(xué)研究等方面有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，以室內(nèi)環(huán)境為研究對(duì)象，采用OpenGL技術(shù)和三維可視化技術(shù)對(duì)激光雷達(dá)地三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)進(jìn)行研究和提高精度。通過(guò)多種傳感器的基礎(chǔ)上建立三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)采集與顯示，達(dá)到立體還原效果。系統(tǒng)可以快速還原重構(gòu)室內(nèi)場(chǎng)景三維原貌，可以獲得物體的顏色、狀態(tài)、紋路等信息，能滿足人們對(duì)陌生環(huán)境的信息需求。

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作者:曹滿鑫 李杰 耿帥 孫鄭芬 黃櫪元 單位:北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院