基于LiDAR移動(dòng)設(shè)備的鏡面建模

侯雨辰

湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412000

0 前言

三維掃描技術(shù)是一種通過(guò)測(cè)量實(shí)體三維坐標(biāo)，分析大量數(shù)據(jù)，從而得到實(shí)體模型的技術(shù)，常被用于掃描實(shí)物建立CAD數(shù)據(jù)、檢測(cè)零件形狀、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域的研究[1]。三維掃描可大體分為接觸式三維掃描和非接觸式三維掃描。其中，非接觸式掃描又分拍照式掃描和激光掃描，本文所研究的LiDAR傳感器就是其中激光掃描的應(yīng)用。激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一套探測(cè)及測(cè)距的系統(tǒng)。其原理為發(fā)射器發(fā)射一束光脈沖，打在被測(cè)物體上反射回來(lái)被接收器接收，接收器則會(huì)測(cè)量并計(jì)算光脈沖反射回來(lái)的時(shí)間，因?yàn)楣馑僖阎M(jìn)而轉(zhuǎn)換為對(duì)物體距離及深度的測(cè)量。LiDAR問(wèn)世之初，憑借其精準(zhǔn)的測(cè)距能力，被廣泛運(yùn)用在軍事勘測(cè)、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)、水利工程、土地利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通通訊、防震減災(zāi)等國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之中。2020年3月，蘋(píng)果公司正式發(fā)布帶有LiDAR傳感器的新款iPad Pro。最初，這項(xiàng)新興功能的定位是可用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的輔助攝影程序，直到后續(xù)推出的3D Scanner、Poly Cam兩款拍照建模程序，才將三維建模這項(xiàng)功能推向熱潮，其便捷快速的建模能力迅速在房產(chǎn)、測(cè)繪、游戲制作等專業(yè)領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用，人們往往選擇利用Poly Cam等軟件粗糙地構(gòu)建一個(gè)模型，再將其導(dǎo)入Maya、C4D等建模工具里細(xì)化，相當(dāng)于打了一個(gè)草稿，而這里所謂草稿中的“草”，卻也成為了LiDAR傳感器運(yùn)用在移動(dòng)設(shè)備建模的最大弊端所在。

拿Poly Cam App舉例，其LiDAR的工作原理很簡(jiǎn)單，發(fā)射器不斷投射出密集的矩形點(diǎn)陣，感知每個(gè)點(diǎn)之間的距離，將相鄰的三個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)面，再將大量組成面的三角形進(jìn)行拼接，以此還原物體的形狀。也就是說(shuō)，一旦被測(cè)建模的物體小于點(diǎn)陣中兩點(diǎn)的最小距離，就會(huì)直接被一個(gè)粗糙的面代替，導(dǎo)致精度無(wú)法達(dá)到專業(yè)要求。除此之外，基于LiDAR的建模還有一個(gè)最致命的缺點(diǎn)，那就是無(wú)法對(duì)鏡面物進(jìn)行建模。由于經(jīng)過(guò)鏡面反射的激光無(wú)法完全地反射回接收器，導(dǎo)致最終的建模既沒(méi)有辦法識(shí)別出鏡子的模樣，也無(wú)法還原出鏡中物的景象，這樣的缺陷大大限制了LiDAR在移動(dòng)設(shè)備中關(guān)于建模的運(yùn)用，讓其無(wú)法進(jìn)一步被投入到專業(yè)領(lǐng)域中，無(wú)法打破“娛樂(lè)”軟件的桎梏。

因此，本文提出方法，運(yùn)用鏡面的對(duì)稱性原理，計(jì)算含有LiDAR傳感器的設(shè)備與鏡面成像之間的距離，在移動(dòng)設(shè)備的移動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)其與障礙物之間的對(duì)稱軸判斷障礙物為鏡面，再二次運(yùn)用對(duì)稱性原理和上色成像的材質(zhì)映射，構(gòu)造出鏡中的畫(huà)面，以此實(shí)現(xiàn)鏡面的完整建模，從而完善基于LiDAR傳感器的移動(dòng)設(shè)備在建模中無(wú)法對(duì)鏡面建模的缺陷。

1 鏡面檢測(cè)

1.1 基于三維掃描的鏡面檢測(cè)方法

鏡面因其產(chǎn)生的鏡面反射使大多光學(xué)傳感器無(wú)法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，故現(xiàn)階段針對(duì)鏡面檢測(cè)的三維掃描方法主要如下：

1.1.1 接觸式測(cè)量法

測(cè)量機(jī)探針直接與被測(cè)鏡面接觸，通過(guò)探針劃過(guò)表面產(chǎn)生的起伏轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，計(jì)算得出相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，完成鏡面的三維重組。

這種方法不被光學(xué)特性干擾，能夠較高精度地測(cè)量鏡面的范圍等參數(shù)，但接觸式測(cè)量同時(shí)也存在易刮傷鏡子表面，檢測(cè)速度慢等弊端。

1.1.2 非接觸式測(cè)量法

（1）噴粉法

在鏡面體上噴灑顯像劑或特定的材料，借由涂層產(chǎn)生的漫反射，運(yùn)用激光掃描或拍照掃描等三維激光掃描進(jìn)行鏡面掃描。

這種方法簡(jiǎn)單，可以最大程度地運(yùn)用光學(xué)三維掃描的優(yōu)勢(shì)，但與此同時(shí)，噴粉帶來(lái)的后期處理卻也拖累了它的效率和實(shí)時(shí)性。

（2）干涉法

傳統(tǒng)干涉法[2]為發(fā)射器發(fā)射一束相干光，經(jīng)由分光鏡將其變成兩束，射向被測(cè)鏡面的稱為測(cè)量光，射向參考鏡面的稱為參考光。兩束光經(jīng)過(guò)反射后折返，由分光鏡匯聚形成干涉，干涉條紋最終被轉(zhuǎn)換為深度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)鏡面的三維重組。

干涉法為現(xiàn)今精度最高的鏡面檢測(cè)方法，但其測(cè)量結(jié)果受光的波長(zhǎng)影響，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求同樣也很高。

（3）光度立體法

在被測(cè)鏡面周圍布置若干可控光源，通過(guò)控制這些光源的強(qiáng)弱，得到不同光照情況下鏡面的圖像，再分析得到其三維信息。

這種方法雖然可以得到鏡面的三維信息，但因其對(duì)環(huán)境的敏感性極高，大大限制了光度立體法的實(shí)際運(yùn)用能力。

（4）相位偏折法（條紋反射法）

相機(jī)采集鏡面調(diào)制的變形條紋，經(jīng)由提取獲得光柵相位變化，可建立該相位變化量與鏡面法向量之間的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算重組鏡面模型。

相位偏折法可以高精度地檢測(cè)鏡面，對(duì)環(huán)境的要求也不高，但其對(duì)被測(cè)物的形貌有一定的要求，目前未能有相應(yīng)的應(yīng)用研究[3]。

1.2 基于LiDAR激光掃描的鏡面檢測(cè)方法

1.2.1 光強(qiáng)判別法

由于鏡面在LiDAR的探測(cè)下會(huì)產(chǎn)生鏡面反射，而鏡面反射和漫反射傳遞回的光強(qiáng)不同，因此利用反射激光的強(qiáng)度判斷探測(cè)的障礙物是否為鏡面。

光強(qiáng)判別法簡(jiǎn)單易操作，但對(duì)環(huán)境要求較高，無(wú)法排除一切外在干擾[4]。

1.2.2 多傳感器融合法

例如激光傳感器結(jié)合聲吶傳感器，利用聲吶傳感器探測(cè)鏡面這類障礙物的距離，激光傳感器獲取準(zhǔn)確的環(huán)境信息，二者融合也可以探測(cè)出鏡面的存在。

該方法探測(cè)精度高，但無(wú)法判斷鏡中的成像是實(shí)體還是虛體，另外，傳感器的增加帶來(lái)的誤差因素也同樣降低了其應(yīng)用性[5]。

以上現(xiàn)階段對(duì)鏡面檢測(cè)的方法如表1所示。鏡面檢測(cè)的復(fù)雜性很大程度限制了光學(xué)設(shè)備在其中的應(yīng)用，而LiDAR在移動(dòng)設(shè)備上的建模應(yīng)用也是一直存在鏡面建模的缺陷。針對(duì)移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，高精度、多集成的方法雖然可以解決相應(yīng)的建模問(wèn)題，但其帶來(lái)的成本提升及制作難度卻無(wú)法令其達(dá)到“大眾應(yīng)用”的定位。

因此，本文提出方案，運(yùn)用鏡面的對(duì)稱性原理，計(jì)算含有LiDAR傳感器的設(shè)備與鏡面成像之間的距離，在移動(dòng)設(shè)備的移動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)其與障礙物之間的對(duì)稱軸判斷障礙物為鏡面，再二次運(yùn)用對(duì)稱性原理和上色成像的材質(zhì)映射，構(gòu)造出鏡中的畫(huà)面，以此實(shí)現(xiàn)鏡面的完整建模，用這種成本低，計(jì)算量小的方法，完善基于LiDAR傳感器的移動(dòng)設(shè)備在建模中無(wú)法對(duì)鏡面建模的缺陷。

表1 現(xiàn)階段鏡面檢測(cè)方法

2 建模方法

2.1 對(duì)稱性原理檢測(cè)鏡面

基于LiDAR移動(dòng)設(shè)備的鏡面建模是通過(guò)識(shí)別出鏡面的位置，再對(duì)被識(shí)別為鏡面的障礙物進(jìn)行上色的處理，對(duì)于其中鏡面檢測(cè)的方法，本文以此提出的思路如圖1所示。

LiDAR獲取自身坐標(biāo)，用(x1, y1)表示。獲取n個(gè)障礙物坐標(biāo)，記為(x1', y1' )，(x2', y2' )，(x3', y3' )…… (xn', yn' )。

在探測(cè)周圍環(huán)境時(shí)，LiDAR計(jì)算自身與障礙物之間的距離，計(jì)算中軸線，公式如下：

其中，K為L(zhǎng)iDAR與障礙物之間的斜率；(x2, y2)為障礙物坐標(biāo)；(x0, y0)為中點(diǎn)坐標(biāo)，則x0=(x1+x2)/2，y0=(y1+y2)/2。

因?yàn)榄h(huán)境中的鏡面將一直存在，移動(dòng)LiDAR，其在鏡面中的成像也會(huì)隨之移動(dòng)，因此，上一刻檢測(cè)的中軸線對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了移動(dòng)后當(dāng)前時(shí)刻的障礙物，該障礙物即有可能是LiDAR的移動(dòng)后成像，即該中軸線位置便可能是鏡面所處在的位置[6]，原理如圖2所示。

2.2 材質(zhì)映射成像建模

基于LiDAR的建模軟件Poly Cam有著類似于拍照的應(yīng)用界面。在打開(kāi)軟件后，界面將顯示無(wú)數(shù)個(gè)拼接的三角形，進(jìn)行三維物體有限元分析，如圖3所示。其工作原理為發(fā)射器不斷投射出密集的矩形點(diǎn)陣，感知每個(gè)點(diǎn)之間的距離，將相鄰的三個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)面，最終將大量組成面的三角形進(jìn)行拼接，還原物體的形狀。在沒(méi)有按下快門之前，LiDAR不斷發(fā)射點(diǎn)陣探測(cè)周圍環(huán)境的距離以及深度，構(gòu)造出一個(gè)空白的建模，而按下快門后，手機(jī)后置攝像頭對(duì)環(huán)境進(jìn)行拍照取色，填充于空白建模之上。

就設(shè)備按下快門前的未上色建模進(jìn)行對(duì)比參照實(shí)驗(yàn)：在軟件開(kāi)始界面取景環(huán)境后，用手遮擋住拍照的鏡頭，按下快門，得到全黑的模型輪廓，而未被遮擋鏡頭的情況下，模型保留現(xiàn)實(shí)的色彩映射。

由此實(shí)驗(yàn)可知，Poly Cam App在按下快門前便已經(jīng)完成了對(duì)物體的建模，拍照是通過(guò)手機(jī)的攝像功能，獲取周圍環(huán)境的圖片，再為空白的建模上色。借由此原理，可有具體方案如圖4所示。

在Poly Cam App通過(guò)對(duì)稱性原理檢測(cè)出鏡面之后，對(duì)鏡面進(jìn)行空白處理，再將以鏡面為對(duì)稱軸的環(huán)境物體通過(guò)上色的方式，覆蓋在空白的建模上，形成完整的鏡面以及鏡面空間的建模。

3 結(jié)論

本文提出利用鏡面成像與LiDAR傳感器的對(duì)稱性判斷鏡面的位置，再利用Poly Cam App的先建模后上色原理將環(huán)境中與鏡面相對(duì)稱的因素覆蓋于鏡面建模之上，最終獲得一個(gè)完整的鏡面以及鏡面空間。該方式不必利用多種傳感器融合以及精確的參數(shù)分析，成本低，計(jì)算量小，具有一定的可研究性。