激光雷達的三維室內(nèi)信息采集與顯示范文
本站小編為你精心準備了激光雷達的三維室內(nèi)信息采集與顯示參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
摘要：隨著計算機圖形學技術的迅速發(fā)展，人們已經(jīng)開始對三維信息的需求與日劇增。在社會生活中應用廣泛，比如電子地圖、建筑設計、園林景觀、產(chǎn)品演示等各個領域。針對室內(nèi)環(huán)境研究開發(fā)了室內(nèi)三維環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)，實現(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。通過實驗驗證，該系統(tǒng)可行使用傳感器對室內(nèi)環(huán)境信息進行采集，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)。
1概述
目前室內(nèi)三維數(shù)據(jù)采集與顯示是一個研究熱點，三維環(huán)境信息采集與顯示技術是一種真實環(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)實世界進行再現(xiàn)。它利用激光雷達獲取室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)，利用深度攝像頭獲得影像點云進行三維模擬顯示。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)實環(huán)境再現(xiàn)，使人可以觀察到不可見的現(xiàn)象。
2關鍵技術
2.1激光雷達點云數(shù)據(jù)采集
LiDAR激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，也稱LaserRadar或者LADAR。激光雷達點云數(shù)據(jù)是指由激光雷達掃描獲取的數(shù)據(jù)。每一個很小的束探測到一個數(shù)據(jù)，可視化后就是一個點，所以稱“點”數(shù)據(jù)。整個無序數(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)，激光達點云數(shù)據(jù)的特點：（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，使每次探測到的距離都是一個離散的數(shù)據(jù)，在空間可視化之后表現(xiàn)出不同位置的離散點；由于掃描方式不同會導致數(shù)據(jù)分布不均勻。（2）含目標空間位置坐標信息。與傳統(tǒng)光學數(shù)據(jù)相比，可以直接從點云數(shù)據(jù)中進行空間測量點云數(shù)據(jù)反應物體空間位置關系。（3）高密度，高精度。掃描儀角分辨率小，點云數(shù)據(jù)密集，而其高精度特性由激光器的高精度決定，同時會使點云的數(shù)據(jù)量龐大。
2.2數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸硬件
基于激光雷達掃描和其他傳感器對三維坐標和像素信息的采集，并實時獲取空間三維點云、GPS位置、與目標點方位角、俯仰等信息，進行數(shù)據(jù)分析和存儲，并可以通過開發(fā)板與PC連接傳輸數(shù)據(jù)。
2.3三維建模與顯示
讀取設備獲取的環(huán)境信息并傳入后臺PC機，在PC機利用軟件對點云數(shù)據(jù)處理，融合像素點和圖片對應點的RGB信息，進行三維模型重構(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)進行顯示。通過Kinect體感儀，實現(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)換算法實現(xiàn)二維頂點的三維化，再通過紅外相機姿態(tài)跟蹤算法進行頂點集配準，求解相機每一次的相對位移和轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)相機姿態(tài)跟蹤，并將每一次拍攝到的點集轉(zhuǎn)換到同一全局坐標系之下，使用晶格化顯示集成算法將點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：對數(shù)據(jù)采集板得到點的多源數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，把點云、位置、影像等信息建立的數(shù)據(jù)模型進行可視化顯示。控制部分：過程狀態(tài)的說明指示、傳感器和采集感知設備的控制移動、轉(zhuǎn)向等，保證各器件的穩(wěn)定同時運轉(zhuǎn)，兼容性。構(gòu)建合理的系統(tǒng)框架和模塊化功能設計等方面。數(shù)據(jù)采集模塊：通過激光雷達以及其他傳感器對三維坐標和像素信息采集。圖像處理模塊：讀取設備獲取的環(huán)境信息并傳入后臺PC機，在PC機對點云數(shù)據(jù)處理，融合像素點和圖片對應點的RGB信息，進行三維模型重構(gòu)，并利用三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)進行顯示。三維建模與顯示模塊：通過PC機與Kinect體感儀實現(xiàn)三維建模與可視化。數(shù)據(jù)處理模塊：嵌入式開發(fā)板與激光雷達具有數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲與基礎處理功能，能對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。
4功能開發(fā)與實現(xiàn)
4.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境
以VC++2012.Net為開發(fā)平臺，集成傳感器，在Windows系統(tǒng)基礎上建立三維建模與顯示，該系統(tǒng)以基于激光雷達掃描和其他傳感器對三維坐標和像素信息的采集技術背景，在PC機利用軟件對點云數(shù)據(jù)處理，融合像素點和圖片對應點的RGB信息，進行三維模型重構(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點云，得到點云中頂點的三維坐標和法向量。（2）相機跟蹤，可以將當前幀的3D點云和現(xiàn)有模型生成的3D點云進行ICP(迭代最近點)匹配，計算得到當前幀相機的位姿。（3）點云融合，根據(jù)所計算出的當前相機位姿，使用TSDF點云融合算法將當前幀的3D點云融合到現(xiàn)有模型中。（4）場景渲染，使用光線跟蹤的方法，根據(jù)現(xiàn)有模型和當前相機位姿預測出當前觀察到的環(huán)境點云，1）用于反饋給用戶，2）可以提供給相機跟蹤進行ICP匹配。
4.2.2RPLIDAR激光雷達掃描后的數(shù)據(jù)處理算法
RPLIDARA1激光掃描測距雷達可以在二維平面內(nèi)進行360度的激光測距掃描，然后產(chǎn)生所在空間的平面點云地圖信息。RPLIDAR激光雷達掃描采用了激光三角測距技術，以激光作為光源，每次測距將發(fā)射紅外激光信號，激光信號照射到目標物體后產(chǎn)生的反光將會被視覺采集系統(tǒng)接受，經(jīng)過DSP處理器進行解算然后輸出數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)的部分算法如下：
4.2.33D場景建模算法
KinectV2配備彩色攝像頭，紅外線投影機，深度攝像頭和四元線性麥克風陣列等傳感器。通過Kinect可以獲取Color,Infrared,Depth,BodyIndex,Body共6個數(shù)據(jù)源，可根據(jù)需要調(diào)用多個傳感器。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），運用KinectFusion算法將采集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)3D場景建模。
5測試結(jié)果與分析
通過攝像頭采集室內(nèi)的各項數(shù)據(jù)，在程序中實現(xiàn)基于激光雷達的室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、場景三維模型數(shù)據(jù)顯示等基本功能。利用RPLIDAR激光雷達和Kinect的使用與開發(fā)、VC++2012.Net平臺上C程序的開發(fā)方法，以及硬件設計基本方法實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、場景三維模型數(shù)據(jù)顯示等基本功能。實現(xiàn)了相機跟蹤，點云融合，場景渲染，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)進行顯示。對數(shù)據(jù)采集板得到點的多源數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，把點云、位置、影像等信息建立的數(shù)據(jù)模型進行可視化顯示。通過Kinect獲取Color,Infrared,Depth,BodyIndex,Body共6個數(shù)據(jù)源，可根據(jù)需要調(diào)用多個傳感器。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），運用KinectFusion算法將采集到的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)3D場景建模。每次采樣的數(shù)據(jù)通過通訊接口輸出，包括距離值、夾角、信號強度和起始信號(布爾值)的信息。測距范圍0.15-6米，頻率大于2000Hz可調(diào)。
6結(jié)語
激光雷達的掃描與顯示技術是近年來研究的熱點，在工業(yè)制造、軍事、民用、科學研究等方面有著越來越廣泛的應用，以室內(nèi)環(huán)境為研究對象，采用OpenGL技術和三維可視化技術對激光雷達地三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)進行研究和提高精度。通過多種傳感器的基礎上建立三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)采集與顯示，達到立體還原效果。系統(tǒng)可以快速還原重構(gòu)室內(nèi)場景三維原貌，可以獲得物體的顏色、狀態(tài)、紋路等信息，能滿足人們對陌生環(huán)境的信息需求。
參考文獻
[1]趙建偉,張宏靜,王洪燕,高新強.應用激光雷達構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境地圖的研究[J].機械設計與制造,2017,(05):135-137.
[2]吳倩.室內(nèi)場景三維目標識別的研究與應用[D].西南科技大學,2018.
[3]劉冠洲.基于三維激光點云數(shù)據(jù)的采空區(qū)形變區(qū)域識別算法[A].中國計量協(xié)會冶金分會、《冶金自動化》雜志社.中國計量協(xié)會冶金分會2018年會論文集[C].中國計量協(xié)會冶金分會、《冶金自動化》雜志社:《冶金自動化》雜志社,2018:6.
[4]曾小玲.Kinect深度數(shù)據(jù)在室內(nèi)成圖應用中的準確度和分辨率[J].工業(yè)技術與職業(yè)教育,2018,16(01):15-17+37.
[5]楊博.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計[J].自動化應用,2018,(07):12-13.
[6]陸祖康,臧侃,李培勇,洪治,吳碧珍.激光雷達三維成像系統(tǒng)的研究[J].浙江大學學報(工學版),1999,(04):84-87.
作者:曹滿鑫 李杰 耿帥 孫鄭芬 黃櫪元 單位:北京信息科技大學信息與通信工程學院