基于激光影像的物體三維點云獲取系統

王震,劉進

(1.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430079； 2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室,湖北武漢 430079)

基于激光影像的物體三維點云獲取系統

王震1?,劉進2

(1.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430079； 2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室,湖北武漢 430079)

三維點云獲取系統能夠快速地獲取目標物體的幾何信息，生成大量點云，將目標的真實三維形態在計算機中可視化的展現出來。本文提出了一種新的三維點云數據獲取的方法，應用在自主開發的基于激光影像的物體三維點云獲取系統中，即標定激光面映射目標表面點的一維坐標，利用單像攝影測量后方交會和一維坐標的聯合解算，得出目標點三維偽坐標。通過坐標逆向旋轉恢復，得到真實的三維坐標數據，據此完整地建立目標物體的三維可視化模型。

相機標定；激光線檢測；三維建模

1 引 言

基于激光影像的物體三維點云獲取系統通過激光影像處理和攝影測量技術獲取三維實物表面點坐標數據,并由三維坐標數據生成三維點云。目前三維點云獲取技術在許多領域的應用十分廣泛,例如虛擬現實模擬、游戲、電影、電子商務等。

本文提出的基于激光影像的物體三維點云獲取系統使用了一種新的模型數據采集方法,即物體單幅影像結合激光掃描的方法。利用標定裝置確定相機空間方位、姿態以及激光面和旋轉中心的空間位置,通過相機得到的單幅影像和已標定過的激光掃描的數據,計算經旋轉恢復的物體表面點的三維空間坐標,根據點云數據可視化顯示目標物體的形態。

2 系統平臺搭建

本系統由軟件和配套的硬件系統組合而成。整套設備造價低廉,測量完整,可多視角觀察可視化三維點云模型。其中硬件系統分為四部分,如圖1所示:

(1)檢校板:由國際象棋棋盤制成,以棋盤的豎直邊為x軸,以棋盤的橫邊為y軸,z軸垂直于棋盤朝向相機；

(2)激光器:本系統采用5 mw 650 nm一字激光器,射出高亮的紅色激光線。可由光圈調整激光線位置、亮度和線寬；

(3)旋轉平臺:旋轉平臺主要由微型三腳架、步進電機和圓盤連接組成。由MCS-51單片機控制步進電機以一定步幅旋轉,帶動圓盤上物體旋轉360°；

(4)相機:本系統采用奧尼ANC高清攝像頭,與激光發生器保持固定觀察角度,視野中必須包含標定板和旋轉平臺。

圖1 硬件設備安裝圖紙

軟件主要包括三個版塊:相機標定,物方圖像獲取,物體表面點三維坐標測量及三維模型重建。具體程序如圖2所示:

圖2 系統軟件流程圖

3 物體三維點云獲取算法流程

物體三維點云獲取的過程主要包括系統標定、物方圖像獲取、激光線提取及三維點云的生成、三維模型重建,如圖3所示。

圖3 系統算法流程圖

系統標定:標定包括相機標定、激光線標定和旋轉平臺的標定。根據張正友經典的棋盤標定方法可迅速得出相機內參數。相機標定的過程中,調整激光線與拍攝最后一幅圖片的棋盤標定板上的第二條豎直線相重合,確定激光面的一維坐標,即與其重合的標定板上的豎直線的坐標,如圖4所示。調整激光線穿過旋轉平臺中心,獲取其圖像,利用圖像處理的方法檢測激光線及其中點的像素坐標,攝影測量前方交會計算旋轉中心的三維空間坐標。旋轉平臺標定的目的是能夠恢復因旋轉而錯位的物方點空間坐標。

圖4 激光面與棋盤標定板的重合標定

獲取物方圖像:通過上位機串口通訊控制單片機,以四相勵磁的方式向步進電機發送脈沖,驅動電機以1.406 25°的步幅旋轉,目標物體表面360°地經過激光線的掃描,相機實時拍攝,得到256幅目標圖像。

激光線提取及三維點云坐標的生成:復雜背景下激光線提取的干擾嚴重,因此利用多個標準來提取激光點,主要包括色彩標準(H、S、V)和激光線的連續性(縱向連續性和橫向連續性)。將目標圖像轉成HSV顏色通道的圖像,以色調、飽和度和亮度為標準進行閾值分割。激光線的連續性提取標準設定為:提取點的縱向y坐標從上到下連續遞減,橫向x坐標幾乎不變,左右差值不超過5個像素,抑或連續遞增或遞減。提取效果如圖5所示。最終通過立體視覺測量方法計算三維點云坐標,并使每幅圖像的點云經過以電機轉軸為中心軸的逆旋轉恢復真實坐標。

圖5 激光線提取效果圖

三維重建:讀取獲得的點云位置,利用OpenGL中中心投影函數,重建目標物體的三維模型。鼠標交互操作,進行任意角度的模型變化,更真實地將三維模型展現給用戶。

4 基于激光影像的立體視覺測量原理

本系統采用立體視覺測量方法,以已標定的激光面為輔助,測量目標物體表面點的三維空間坐標。

4.1 近景攝影測量原理

圖6 相機針孔模型

如圖6所示,三維空間點Q(X,Y,Z),以點O為投影中心,在圖像平面上的成像點為q(x,y,f)。根據相似三角形原理可得:

其中焦距(fx,fy),像主點偏移量(cx,cy),以及徑向畸變、切向畸變參數構成了相機標定的內方位元素。

對于圖像和物體之間的投影關系,我們可以用相

機坐標系統的旋轉和平移來表示。旋轉矩陣:

平移矩陣:

物像點計算關系式:

簡化得到中心投影共線方程的逆算式:

其中,角元素(γ,φ,θ)和線元素(Xs,Ys,Zs)構成了相機標定的外方位元素。

利用圖像處理的方法,提取激光采樣點,得到目標物體表面點的像方坐標(x,y),通過系統標定得到相機的內外方位元素和激光面的一維坐標(即穿過激光面的物體表面點的Y坐標)。最終根據方程計算出X和Z二維坐標,從而確定目標點的物方三維坐標。

4.2 物方坐標的旋轉恢復

物體經過360°旋轉被激光線完整掃描,得到的物方坐標是經過不同角度旋轉以后的坐標,所以要經過逆旋轉計算,恢復物體表面點的真實坐標。

物體在同一水平面內繞旋轉中心O(XO,YO,ZO)旋轉,中心坐標在標定時已得出,坐標旋轉恢復的方程為:

其中(XAYAZA)則是旋轉恢復后的物體的真實三維空間坐標。

5 實驗結果

以類似于鼠標形狀的物體為實驗對象,獲取完整的物體表面三維點云,在Windows平臺下,利用Open-GL 3D API顯示。

如圖7所示,三維點云在對話框中被完整地顯示出來,用戶可以根據自己的需要,通過鼠標交互操作,全方位360°的觀察目標物體的三維形態。

圖7 三維點云獲取效果圖

6 結 論

基于激光影像的物體三維點云獲取系統利用圖像處理的方法提取激光影響的采樣點,通過近景攝影測量技術獲取點的三維空間坐標,并進行逆旋轉恢復三維真實坐標,生成點云并進行可視化,從而顯示目標物體的形態。整套設備造價低廉,運行速度快,可實時控制,獲取360°完整點云。點云數據可用于物體長度、面積、體積等參數的計算,后續開發前景廣泛。但仍存在一些不足,例如被測目標的尺寸被限制,采樣率有待提高等。

參考文獻

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數字沈陽地理空間框架建設項目通過國家級驗收

(本刊訊)2013年12月5日,數字沈陽地理空間框架建設項目國家級驗收會議在沈陽召開。

驗收會上,專家組聽取了工程承建單位沈陽市規劃和國土資源局的工作報告和技術報告,觀看了項目成果演示,審閱了項目文檔資料,經質詢與討論,一致認為數字沈陽地理空間框架建設工程圓滿完成設計書規定的各項任務,達到預期目標,同意通過驗收。

會議認為,數字沈陽地理空間框架建設項目,建立了覆蓋全市的電子地圖、影像地圖和地名地址數據,建成了多源、多維、多尺度、多時態的框架數據體系,符合國家規范,滿足項目設計要求。項目開發了政務版、公眾版地理信息公共服務平臺,實現了地理信息資源的在線管理、更新、發布及定制開發服務,可滿足多領域、多行業、多部門的應用需求。“天地圖·沈陽”實現了與國家及省級天地圖節點的互聯互通及服務聚合,開發了基于Android、IOS等系統的客戶端服務,滿足了社會公眾需求。項目完成的十二運地圖網站、規劃國土一張圖、數字沈河、數字地稅、數字城管、數字旅游等示范應用項目,運行穩定。項目出臺了《沈陽市地理空間框架建設和使用管理辦法》,明確了運行維護機構,建立起保障平臺穩定、持續、長期服務的長效機制。

驗收會后,召開了數字沈陽地理空間框架建設成果發布推廣會。會議強調,沈陽市要進一步加強測繪地理信息基礎性工作,認真做好數字沈陽地理空間框架建設成果的更新、維護、運行及部門應用系統的技術支持工作,保持數據的現勢性及平臺系統的生命力,并做好數字沈陽地理空間框架建設成果的推廣應用工作,加大推廣的廣度和深度,為政府和社會公眾做好地理信息服務,全面提升測繪地理信息服務保障能力。

國家測繪地理信息局、遼寧省測繪地理信息局、沈陽市人民政府、沈陽市有關委辦局、項目實施單位負責人參加會議。

(沈陽市勘察測繪研究院供稿)

The acquisition System of 3D Point Cloud Based on Image W ith Laser

Wang Zhen1,Liu Jin2
(1.WuHan University,School of Geodesy and Geomatics,Wuhan 430079,China；2.Stat Key Laboratory of Information Engineering in Surveying,Mapping and Remote Sensing,Wuhan 430079,China)

The acquisition system of 3D point cloud can get the geometric information fast and provide a lot of point cloud data in order to show the object3D shape on a computer.This paper gives a new method of getting 3D point cloud data that is applied to the self-made system of object3D point cloud acquisition based on image with laser.The calibrated laser area reflects the one dimension coordinates of object surface.Through the combined calculation of one dimension coordinate and resection of single photogrammetry the original 3D coordinates of object points can be obtained.Through reverse rotation we can get the true 3D coordinates and construct the complete 3D visualmodel of object.

calibration；detection of laser line；3D modeling

1672-8262(2013)06-89-04

P234.4

B

2013—04—27

王震(1991—),男,本科生,主要從事工業測量和近景攝影測量的研究。

國家自然科學基金資助項目(41271454)