彩色三维激光扫描仪及三维立体彩色点云扫描的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及扫描领域，尤其涉及彩色三维激光扫描仪及三维立体彩色点云扫描的 方法。
【背景技术】
[0002] 三维扫描技术的应用领域非常广泛，在机械制造、家装设计、建筑和土木工程、文 化遗产保护、游戏开发等行业领域对三维模型都有很大需求。
[0003] 目前有几种类型的光学扫描仪，一种是通过点状激光或线状激光对三维空间进行 测量，但这种扫描仪只能获取三维空间信息，无法获取空间或物体表面的彩色纹理信息，如 果要添加彩色纹理信息，必须通过专业的数码设备获取彩色图片，并通过纹理贴图获得彩 色的三维模型，但这一过程需要耗费大量的人力物力，而且由于激光和数码设备采集信息 的位置有所偏差，导致获得的彩色三维模型在准确性以及效果上都很有限。
[0004] 另外一种可选择的扫描系统是普通光扫描。利用侧面影像的方法，从单镜头获取 大量的视觉数据点，并通过获取的大量物体图像与物体相关角度相关联，通过图像处理对 空间或物体进行三维重建，并确定该物体或空间表面的色彩信息。但这种方法有很大局限 性，图像处理所获得的三维空间数据在超过5米的大场景下精确性远远比不上激光测量。
[0005] 而且，扫描、测量或者其它3D物体获取数据的装置，例如进行三维重建，在速度和 精度上很难兼顾。
[0006] 因此，在扫描、测量空间或物体的三维空间数据和彩色纹理数据的装置，从实景快 速地、精确地获取三维数据和彩色纹理数据、生成彩色点云或相关模型，比以前的系统有了 很大的改进。
【发明内容】
[0007] 为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种彩色三维激光扫描仪，其包括激光 头、电机控制模块、反光镜、水平旋转台、同步控制模块、图像传感器和镜头，所述图像传感 器和镜头固定在水平旋转台上，图像传感器和镜头获取空间或物体表面的彩色纹理信息， 所述激光头包括激光发射器和激光接收器，电机控制模块控制第一电机和第二电机，第一 电机控制反光镜旋转使激光束进行竖直方向上的线扫描，激光头固定在水平旋转台上，第 二电机用于控制水平旋转台旋转，激光在进行线扫描的同时进行水平方向扫描；
[0008] 同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，电机控制模块控制第二电机用于控 制水平旋转台旋转，从而使固定在水平旋转台上的镜头和图像传感器获取影像素材，水平 旋转台每旋转一个固定的角度停止后，同步控制模块向图像处理模块发送信号，图像处理 模块控制图像传感器和镜头获取影像素材；获取素材后图像处理模块向同步控制模块发送 反馈型号，同步控制模块再一次向电机控制模块发送控制命令，控制第二电机使水平旋转 台旋转固定角度，直到多次转动的角度加起来大于360度减去镜头横向视场角度的二分之 〇
[0009] 作为本发明的进一步改进，还包括计算单元，所述计算单元通过同步控制模块控 制电机控制模块。
[0010] 作为本发明的进一步改进，还包括底壳、下壳、左上壳和右上壳、支撑构件，圆柱形 的支撑构件固定在水平旋转台上，随水平旋转台转动而转动，左上壳和右上壳通过螺丝固 定，合成整体后通过螺丝与支撑构件固定，随支撑构件的转动而旋转，底壳通过螺丝与下壳 固定。
[0011] 作为本发明的进一步改进，还包括刻度环，刻度环通过螺丝固定在下壳。
[0012] 作为本发明的进一步改进，电机控制模块通过螺丝固定在下壳。
[0013] 作为本发明的进一步改进，水平旋转台通过电池压板的螺丝位固定在下壳。
[0014] 作为本发明的进一步改进，同步控制模块通过螺丝固定在下壳。
[0015] 作为本发明的进一步改进，锂电池通过机械卡位固定在电池压板上，再与底壳紧 配，还包括第一编码器和第二编码器，第一编码器和第二编码器分别通过联轴器固定在第 一电机和第二电机的轴上。
[0016] 一种利用上述任意一项彩色三维激光扫描仪进行三维立体彩色点云扫描的方法， 其特征在于，包括如下步骤：
[0017] 步骤1 :计算单元的交互界面上操控彩色三维激光扫描仪开始测量，如果没有开 始测量则彩色三维激光扫描仪保持待机状态；
[0018] 步骤2 :计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，控制第一电 机、第二电机旋转；
[0019] 步骤3 :计算单元通过距离测距模块控制激光发射器和激光接收器进行激光测 距，同时获取第一编码器和第二编码器的码盘读数；
[0020] 步骤4:计算单元通过第二编码器的读数判断第二电机旋转的角度，如果旋转角 度达到360度，计算单元控制第二电机停止转动，如果旋转角度小于360度，则计算单元控 制第二电机继续转动；
[0021] 步骤5 :计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，控制第二电 机反向旋转，直到反向旋转角度达到360度，也就是回到初始位置；
[0022] 步骤6 :计算单元进行数据融合与处理，生成360度的三维激光点云；
[0023] 步骤7 :计算单元通过同步控制模块向电机控制模块发送控制命令，电机控制模 块控制第二电机用于控制水平旋转台旋转，从而使固定在水平旋转台上的镜头和图像传感 器获取影像素材；旋转台每旋转一个固定的角度停止后，同步控制模块向图像处理模块发 送信号，图像处理模块控制图像传感器和镜头获取影像素材；获取素材后图像处理模块向 同步控制模块发送反馈型号，同步控制模块再一次向电机控制模块发送控制命令，控制第 二电机使水平旋转台旋转固定角度，直到多次转动的角度加起来大于360度减去镜头横向 视场角度的二分之一，最终获取一组图像素材；
[0024] 步骤8 :计算单元根据步骤7获取的一组图像素材对步骤6生成的三维激光点云 进行点云分割，所分得的三维激光点云模型个数与步骤7获取的图像素材的文件个数相 等，并且 对应；
[0025] 步骤9 :计算单元对步骤8生成的一一对应的三维激光点云模型和图像素材进行 纹理映射关系进行点云着色，得到一组彩色的三维激光点云模型，彩色三维激光点云模型 个数与步骤8生成的一一对应关系的个数相等，计算单元将多组彩色激光点云进行数据处 理，得到360度的彩色三维激光点云；
[0026] 步骤10 :计算单元对步骤9生成的彩色三维激光点云进行平滑处理；
[0027] 步骤11 :计算单元对步骤10处理后的彩色三维激光点云进行点云渲染，并且生成 可视化显示界面；
[0028] 步骤12 :计算单元的交互界面可以选择撤销本次测量数据，或者保存本次测量数 据；
[0029] 步骤13 :计算单元的交互界面操控彩色三维激光扫描仪开始下一次测量，如果没 有开始下一次测量则彩色三维激光扫描仪保持待机状态，直到彩色三维激光扫描仪关闭。
[0030] 作为本发明的进一步改进，所述步骤6三维激光点云建模如下：
[0031] 在第二电机固定不动的前提下，对第一电机旋转所测量的二维激光点云数据建立 平面坐标系，坐标系原点位于第一电机的反光镜旋转中心，从距离测距模块读出的激光测 量数据包含测量距离，计算单元通过第一电机所装配的第一编码器获得激光电源所对应的 角度，将距离、角度映射为直角坐标：
[0032] 式中d-一测量点距离返回值，通过激光测距模块读取；
[0033] Θ 一一测量点角度返回值，通过第一电机所装配的第一编码器读取；
[0034] 而三维坐标系的建立，规定以起始时刻二维激光扫描平面为XZ平面，Z轴沿转台 轴心向上建立右手坐标系，并且转台绕Z轴逆时针方向旋转，由此得出三维坐标：
[0035]
[0036] 其中從一一转台相对于起始位置的旋转角度，通过第二电机所装配的第二编码器 读取。
[0037] 本发明的有益效果是：
[0038] 本发明的三维立体彩色点云扫描系统，采用普通光与激光相结合的复合式技术， 用于空间或物体的外形结构和色彩纹理进行扫描，以获得空间或物体表面的空间坐标信息 和色彩纹理信息，并将这些信息转化为同时包含坐标信息以及彩色信息的数字化模型，提 供给机械制造、家装设计、建筑和土木工程、文化遗产保护、游戏开发等行业及其他相关行 业应用。本发明设计具有一次成型，不需要后期处理，在一分钟内完成360度的全景建模， 整个过程全自动，在快速性的同时还保证了测量数据的准确性。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明工作原理框图；
[0040] 图2是本发明整体结构示意图；
[0041] 图3是本发明分解结构示意图；
[0042] 图4是本发明工作流程图；
[0043] 图5是本发明激光点云模型二维坐标系示意图；
[0044